Wicklung

Die Erfindung betrifft ein Elektromaschinen-Bauteil und eine Elektromaschine gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Elektrische Maschinen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, umfassen eine aus einem Hohlleiter hergestellte Wicklung, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, um die elektrische Maschine zu kühlen. Die für die Wicklung verwendeten Hohlleiter bestehen in der Regel aus einem langgestreckten rohrförmigen Körper bzw. Mantel mit einem inneren Hohlraum, wobei der Körper üblicherweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, hergestellt ist. Der leitfähige Körper ist an seiner Außenfläche üblicherweise mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, um eine elektrische Isolierung zwischen aneinander angrenzenden Hohlleiterstücken zu erreichen. Der innere Hohlraum ist als Kanal ausgebildet, der durch den gesamten Hohlleiter in Längsrichtung hindurch verläuft.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte zur hydraulischen Versorgung von Hohlleiter-Wicklungen einer elektrischen Maschine bekannt. So offenbart z. B. die DE 10 2014 201 305 A1 einen Elektromotor, der einen Stator mit einer Vielzahl von Hohlleiterspulen aufweist, die jeweils einen Fluideingang und einen Fluidausgang mit entsprechenden Anschlüssen aufweisen. Die einzelnen Hohlleiterspulen sind an einem Verteiler bzw. einem Sammelkanal angeschlossen, über den das Kühlmittel zu- bzw. abgeführt wird. Ein ähnliches hydraulisches Versorgungskonzept ist auch aus der DE 10 2013 205 418 A1 bekannt, bei der die einzelnen Hohlleiterspulen ebenfalls über einen

gemeinsamen Verteil- bzw. Sammelkanal an den Kühlkreislauf angeschlossen sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte sind relativ aufwändig und kompliziert. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit wenigstens einer innengekühlten Wicklung zu schaffen, deren hydraulisches System wesentlich einfacher aufgebaut ist und die daher schneller und

kostengünstiger hergestellt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Patenansprüchen angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der

Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird ein Elektromaschinen-Bauteil vorgeschlagen, das wenigstens eine innengekühlten Wicklung umfasst, die aus einem oder mehreren Hohlleitern gebildet ist, durch den bzw. die ein Kühlmittel geleitet wird. Die

Wicklung kann eine oder mehrere Spulen umfassen und hat zwei Enden, an denen eine elektrische Betriebsspannung angeschlossen wird. Gemäß der Erfindung dienen die Enden der Wicklung jeweils als Kühlmitteleinlass oder Kühlmittelauslass. Die Hohlleiter sind rundrohrförmig ausgebildet sind und haben einen Außendurchmesser in einem Bereich von 1 ,0 mm bis 4 mm. Die Enden der Wicklung sind dabei an wenigstens einem Anschlussstück angeschlossen, das einen Kühlmitteleingang und/oder einen Kühlmittelausgang, mehrere

Hohlleiteranschlüsse zum Anschließen von Hohlleitern, einen Verteilerkanal, über den das vom Kühlmitteleingang zugeführte Kühlmittel in wenigstens einen

Hohlleiter eingespeist wird, und/oder einen Sammelkanal umfasst, in den das aus wenigstens einem Hohlleiter austretende Kühlmittel hinein fließt und zum

Kühlmittelausgang des Anschlussstücks geleitet wird. Das Anschlussstück umfasst außerdem wenigstens einen elektrischen Phasenanschluss, an dem eine Betriebsspannung anlegbar ist, wobei der wenigstens eine Phasenanschluss mit wenigstens einem der Hohlleiteranschlüsse in elektrischer Verbindung steht.

Das vorstehend genannte Anschlussstück kann in einer Minimalkonfiguration z. B. einen Kühlmitteleingang, mehrere Hohlleiteranschlüsse und einen Verteilerkanal umfassen, über den das vom Kühlmitteleingang zugeführte Kühlmittel in

wenigstens einen Hohlleiter eingespeist wird. Ein Sammelkanal und ein

zusätzlicher Kühlmittelausgang sind bei dieser Minimalkonfiguration nicht vorgesehen. Gemäß einer anderen Minimalkonfiguration kann das Anschlussstück z. B. mehrere Hohlleiteranschlüsse, einen Sammelkanal, in den das aus den Holleitern austretende Kühlmittel hinein fließt, und einen Kühlmittelausgang aufweisen, aus dem das Kühlmittel heraus strömt. Ein Verteilerkanal und ein zusätzlicher Kühlmitteleingang sind bei dieser Minimalkonfiguration nicht vorgesehen. Eine erfindungsgemäße Wicklung umfasst vorzugsweise maximal vier, drei oder zwei interne Kühlmittelanschlüsse. Neben den Kühlmittelanschlüssen an den Enden der Wicklung existieren also maximal vier weitere, interne

Kühlmittelanschlüsse zum Zuführen und/oder Abführen von Kühlmittel.

Ein Kühlmittelanschluss kann gemäß der Erfindung z. B. als Fluid-Eingang oder Fluid-Ausgang dienen. Ein Kühlmittelanschluss kann auch sowohl einen Fluid- Eingang als auch einen Fluid-Ausgang umfassen. Im letzteren Fall können der Fluid-Eingang und der Fluid-Ausgang in einem einzigen Bauteil integriert oder in separaten Bauteilen vorgesehen sein. Der Begriff„Kühlmittelanschluss"

bezeichnet in diesem Fall eine Einrichtung mit beiden Anschlusstypen. Der genannte interne Kühlmittelanschluss ist vorzugsweise Teil eines

Anschlussstücks, das mehrere Hohlleiteranschlüsse zum Anschließen von

Hohlleiterenden und einen oder mehrere Kühlmittelanschlüsse umfasst.

Gemäß einer ersten Ausführungsform stellt das Anschlussstück lediglich eine Fluidverbindung zwischen den Hohlleiterenden zweier seriell aufeinanderfolgender Teilwicklungen und einem Kühlmittelanschluss her. Es ist vorzugsweise als T- Stück ausgebildet. Ein solches T-Stück kann wiederum über wenigstens einen Hohlleiter mit einem zweiten Anschlussstück verbunden sein, an dem z. B. die klemmenseitigen Enden von Wicklungen, oder die Enden anderer Hohlleiter des Kühlmittelsystems, angeschlossen sind. Ein solches zweites Anschlussstück umfasst vorzugsweise einen gemeinsamen Kühlmitteleingang und einen gemeinsamen Kühlmittelausgang, einen Verteilerkanal über den das Kühlmittel in die einzelnen Hohlleiter eingespeist wird, und einen Sammelkanal, in den das aus den Hohlleitern austretende Kühlmittel hinein fließt und zum Kühlmittelausgang des Anschlussstücks geleitet wird.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird auf das vorstehend genannte T-Stück verzichtet, und die aneinander angrenzenden Hohlleiterenden von seriell aufeinanderfolgenden Teilwicklungen sind direkt an einem

gemeinsamen Anschlussstück angeschlossen. Ein solches Anschlussstück umfasst vorzugsweise einen gemeinsamen Kühlmitteleingang und einen gemeinsamen Kühlmittelausgang, einen Verteilerkanal über den das Kühlmittel in die einzelnen Hohlleiter eingespeist wird, und einen Sammelkanal, in den das aus den Hohlleitern austretende Kühlmittel hinein fließt und zum Kühlmittelausgang des Anschlussstücks geleitet wird. Das erfindungsgemäße Anschlussstück hat vorzugsweise mehrere Hohlleiteranschlüsse und wenigstens einen Kühlmittelleitungsanschluss. Innerhalb des Gehäuses ist ein Kühlmittelverteilkanal oder ein Kühlmittelsammelkanal vorgesehen, der mit wenigstens einem der Hohlleiteranschlüsse in Verbindung steht. Wahlweise kann das Anschlussstück auch sowohl einen

Kühlmittelverteilkanal als auch einen Kühlmittelsammelkanal aufweisen, wobei der Kühlmittelverteilkanal vom Kühlmittelsammelkanal dann hydraulisch getrennt ist.

Die genannten Hohlleiteranschlüsse dienen zum Anschließen der dünnen, rundrohrförmigen Hohlleiter, die einen Außendurchmesser von 1 ,0 mm bis etwa 4 mm, vorzugsweise maximal 3,2 mm oder 2,5 mm haben. Die

Kühlmittelleitungsanschlüsse dienen zum Anschließen von Kühlmittelleitungen, die in der Regel einen größeren Querschnitt aufweisen als die Hohlleiteranschlüsse. Die Kühlmittelleitungsanschlüsse sind z. B. Öffnungen, die einen Querschnitt bzw. Durchmesser von mehr als 4 mm oder 5 mm aufweisen können.

Bei einer Wicklung handelt es sich vorzugsweise um einen gesamten

Phasenstrang einer elektrischen Maschine, an dessen Enden eine elektrische Versorgungsspannung (elektrische Phase) angeschlossen ist. Ein Phasenstrang kann aus einem einzigen oder gegebenenfalls auch aus mehreren, elektrisch in Serie geschalteten Hohlleitern bestehen.

Bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine mit drei Wicklungen bzw.

Phasensträngen ist vorzugsweise jede der Wicklungen mit wenigstens einem Anschlussstück hydraulisch verbunden. Vorzugsweise sind alle Hohlleiterenden am selben Anschlussstück angeschlossen. Die Versorgung der Wicklungen erfolgt dann ausschließlich durch das Anschlussstück, das als zentrales Verteil- und Sammelglied wirkt. Die Enden einer Wicklung können wahlweise als Kühlmitteleingang oder

Kühlmittelausgang genutzt werden. Im Verlauf einer Wicklung können eine oder mehrere Kühlmittelabzweigungen bzw. interne Kühlmittelanschlüsse vorgesehen sein, über die Kühlmittel zu- oder abgeführt werden kann. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist keine

Kühlm ittel abzweigung vorgesehen. In diesem Fall wird das Kühlmittel an einem Ende der Wicklung zugeführt und am anderen Ende ausgeleitet. Die Enden der Wicklung sind dann, wie vorstehen beschrieben, an einem oder mehreren

Anschlussstücken angeschlossen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb eines

Phasenstrangs wenigstens eine Kühlmittelabzweigung vorgesehen, über die Kühlmittel zu- oder abgeführt werden kann. In diesem Fall sind die Enden des Phasenstrangs wiederum an einem oder mehreren Anschlussstücken

angeschlossen. Die Abzweigleitung(en) ist bzw. sind vorzugsweise ebenfalls am gleichen Anschlussstück angeschlossen. Wahlweise können sie aber auch an einem anderen Anschlussstück angeschlossen sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Anschlussstück derart ausgebildet, dass es mehrere Hohlleiteranschlüsse - optional auch für aneinander angrenzende Hohlleiterenden von seriell aufeinanderfolgenden Teilwicklungen eines Phasenstrangs - und vorzugsweise einen gemeinsamen Kühlmitteleingang und einen gemeinsamen Kühlmittelausgang, einen

Verteilerkanal, über den das Kühlmittel in besimmte Hohlleiter eingespeist wird, und einen Sammelkanal aufweist, in den das aus bestimmten Hohlleitern austretende Kühlmittel hinein fließt und zum Kühlmittelausgang des

Anschlussstücks geleitet wird.

Das Anschlussstück stellt neben einem hydraulischen Anschluss vorzugsweise auch eine elektrische Kontaktierung der daran angeschlossenen Hohlleiter her. Entsprechend hat das Anschlussstück vorzugsweise einen oder mehrere

Phasenanschlüsse bzw. Klemmen, an dem bzw. denen eine Betriebsspannung (elektrische Phase bzw. 0) anlegbar ist, wobei ein Phasenanschluss jeweils mit wenigstens einem der Hohlleiteranschlüsse in elektrischer Verbindung steht.. Wenn ein Hohlleiter am erfindungsgemäßen Anschlussstück befestigt wird, entsteht dadurch vorzugsweise eine hydraulische Verbindung und gleichzeitig auch eine elektrische Kontaktierung des Hohlleiters.

Diejenigen Hohlleiteranschlüsse des Anschlussstücks, an denen die elektrischen Phasen (U, V, W und ggf. auch der Sternpunkt einer Sternschaltung) der elektrischen Maschine anliegen, sind vorzugsweise voneinander elektrisch isoliert. Das Anschlussstück kann aber auch Hohlleiteranschlüsse aufweisen, die nicht voneinander elektrisch isoliert sind, da sie das gleiche Potential aufweisen müssen. An diesen Hohlleiteranschlüssen können z. B. die Enden von Spulen angeschlossen sein, die bei einer Sternschaltung am gleichen Potential liegen, aber auch Abzweigleitungen eines Phasenstrangs bzw. interne Enden von aufeinanderfolgenden, seriell verbundenen Teilwicklungen, die auf demselben elektrischen Potential liegen.

Das Anschlussstück ist vorzugsweise nicht entlang eines Umfangs der

elektrischen Maschine angeordnet, z. B. nicht an einer Stirnseite des Stators entlang des Statorumfangs. Gemäß der Erfindung ist das bzw. sind die

Anschlussstücke vielmehr an einer zentralen Stelle seitlich an der elektrischen Maschine angeordnet, z. B. in einem mittleren Bereich des Stators, seitlich, im Abstand zum Stator. Das Anschlussstück ist vorzugsweise nicht gekrümmt, sondern verläuft vorzugsweise gerade.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Wicklung aus einem oder mehreren Hohlleitern hergestellt, die als Hohldraht ausgebildet sind.

Der bzw. die Hohldrähte haben vorzugsweise einen runden Querschnitt bzw. Außenumfang. Der Außenumfang könnte aber auch kreisähnlich, wie z. B. oval ausgebildet sein. Der Außenumfang kann prinzipiell die gleiche oder eine andere Form aufweisen wie der Innenumfang.

Die Hohldrähte haben vorzugsweise einen Außendurchmesser von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 5 mm und insbesondere einen Außendurchmesser im Bereich zwischen 1 ,0 mm und 3,2 mm.

Der im Hohlleiter befindliche Fluidkanal hat vorzugsweise einen Durchmesser bzw. eine maximale Erstreckung von weniger als 5 mm. Der Durchmesser bzw. die maximale Erstreckung beträgt vorzugsweise etwa 1 bis 3 mm. Eine erfindungsgemäße Wicklung umfasst vorzugsweise mehrere Spulen, wie z. B. mehrere Zahnspulen oder mehrere Spulen einer verteilten Wicklung.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Wicklung (U, V, W) lediglich an ihren Enden an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen. In diesem Fall hat die Wicklung keinen internen Kühlmittelanschluss. Ein Ende der Wicklung dient als Kühlmitteleinlass und das andere Ende als Kühlmittelauslass. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Wicklung (U, V, W) mehrere Spulen und einen oder mehr interne Kühlmittelanschlüsse. Der bzw. die Kühlmittelanschlüsse sind dabei so angeordnet, dass die Wicklung in mehrere Teilwicklungen unterteilt wird, die jeweils wenigstens eine Spule umfassen. Eine oder mehrere der Teilwicklungen können auch jeweils mehrere Spulen umfassen.

Eine Spule hat vorzugsweise eine oder mehrere Windungen, z. B. mehr als 10, 20 oder 30 Windungen.

Die Teilwicklungen einer Wicklung können grundsätzlich in der gleichen Richtung oder in entgegengesetzter Richtung von Kühlmittel durchströmt werden.

Die Wicklung einer Phase kann als Einfachwicklung hergestellt sein, die einen oder mehrere elektrisch seriell verbundene Hohlleiter aufweist. Alternativ kann eine Wicklung aber auch als Parallelwicklung ausgebildet sein, bei der eine oder mehrere Wicklungen elektrisch parallel geschaltet sind. Die Spulen der parallelen Wicklungen können dabei physisch parallel verlaufen, d.h. es können z. B. zwei Hohlleiter parallel um einen oder mehrere Zähne gewickelt sein. Die Spulen der parallelen Wicklungen können aber auch physisch nicht-parallel gewickelt sein. So kann beispielsweise eine Spule einer ersten Wicklung um einen ersten Zahn eines Elektromaschinen-Bauteils, und eine Spule der parallelen Wicklung um einen anderen Zahn des Elektromaschinen-Bauteils gewickelt sein. Bei einer Ausführung eines Elektromaschinen-Bauteils mit mehreren

Teilwicklungen, die jeweils mehrere Spulen umfassen, sind die einzelnen Spulen einer ersten Teilwicklung vorzugsweise in gegensätzlicher Richtung zu den Spulen einer zweiten Teilwicklung am erfindungsgemäßen Bauteil angeordnet. Der Begriff „Richtung" bezieht sich dabei auf die generelle Flussrichtung des Kühlmittels durch die jeweiligeTeilwicklung. Die Hohlleiterspulen einer ersten Teilwicklung können beispielsweise in Uhrzeigerrichtung und die Hohlleiterspule in einer zweiten Teilwicklung in Gegenuhrzeigerrichtung auf Zähnen oder in Nuten des Bauteils angeordnet sein. Die einzelnen Teilwicklungen werden dabei in

entgegengesetzter Richtung vom Kühlmittel durchströmt. Jede der Spulen einer Teilwicklung hat eine Rangfolge, die der Position der jeweiligen Spule in der Serienschaltung entspricht. Bei einer Teilwicklung mit insgesamt vier Spulen haben die einzelnen Spulen z. B. die Rangfolge 1 , 2, 3 und 4. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden eine Spule einer ersten Teilwicklung, die bezüglich ihrer Rangfolge näher an einem

Kühlmitteleinlass der ersten Teilwicklung, und eine Spule einer zweiten

Teilwicklung, die bezüglich ihrer Rangfolge vom Kühlmitteleinlass der zweiten Teilwicklung weiter entfernt angeordnet ist, am Elektromaschinen-Bauteil vorzugsweise aneinander angrenzend angeordnet. Sie können sich z. B. auf benachbarten Zähnen befinden. Spulen, die sich näher an einem Kühlmitteleinlass befinden, sind in der Regel kälter als Spulen, die weiter von einem

Kühlmitteleinlass entfernt angeordnet sind. Durch die Anordnung einer kälteren Spule neben einer heißeren Spule kann somit verhindert werden, dass thermische Hotspots entstehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind entsprechend eine Spule einer ersten Teilwicklung, die bezüglich ihrer Rangfolge am nächsten an einem Kühlmitteleinlass der ersten Teilwicklung angeordnet ist, und eine Spule einer zweiten Teilwicklung, die bezüglich ihrer Rangfolge von einem

Kühlmitteleinlass der zweiten Teilwicklung am weitesten entfernt angeordnet ist, am Elektromaschinen-Bauteil aneinander angrenzend angeordnet.

Das Elektromaschinen-Bauteil kann insbesondere ein Rotor oder ein Stator sein.

Die Erfindung betrifft auch eine Elektromaschine mit einem Elektromaschinen- Bauteil, das entsprechend einer der vorstehend genannten Ausführungsformen aufgebaut ist.

Bei der Elektromaschine kann es sich sowohl um einen Gleichstrommotor (DC Motor) als auch um einen Wechselstrommotor (AC Motor), insbesondere um eine dreiphasige elektrische Maschine bzw. einen Generator handeln.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer dreiphasigen elektrischen Maschine mit Hohldrahtwicklungen;

Fig. 2 einen elektrischen und hydraulischen Schaltplan der Maschine von Fig. 1 ;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Dreieckschaltung mit gegenläufiger

Durchströmung der einzelnen Wicklungen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Anschlussstücks für die einzelnen Wicklungsenden der Dreieckschaltung von Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Dreieckschaltung, bei der die

einzelnen Wicklungen größtenteils gleichläufig von Kühlmittel durchströmt werden;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Anschlussstücks für die einzelnen Wicklungsenden der Dreieckschaltung von Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Parallelwicklung aus zwei parallelen Dreieckschaltungen;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Anschlussstücks für die einzelnen Wicklungsenden der Parallelschaltung von Fig. 7; Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer Parallelwicklung mit zwei

Dreiecksschaltungen;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Anschlussstücks für sämtliche

Hohlleiterenden der Schaltung von Fig. 9;

Fig. 1 1 eine weitere Ausführungsform einer Parallelwicklung mit zwei

Dreiecksschaltungen;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Anschlussstücks für sämtliche

Hohlleiterenden der Schaltung von Fig. 1 1 ; Fig. 13 eine schematische Darstellung einer Parallelwicklung in Dreieckschaltung, bei der jede Wicklung einen zusätzlichen internen Kühlmittelanschluss aufweist;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Anschlussstücks für sämtliche Hohlleiterenden der Schaltung von Fig. 13;

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Sternschaltung, bei der die einzelnen Wicklungen in Richtung der elektrischen Anschlussklemmen durchströmt werden;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Anschlussstücks für die Hohlleiterenden der einzelnen Wicklungen der Sternschaltung von Fig. 15; Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Sternschaltung, bei der die einzelnen Wicklungen in Richtung des Nullpunkts durchströmt werden;

Fig. 18 eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Anschlussstücks für die Hohlleiterenden der Sternschaltung von Fig. 17;

Fig. 19 eine schematische Darstellung einer parallelen Wicklung in

Sternschaltung, bei der die einzelnen Wicklungen der ersten

Sternschaltung und die entsprechenden Wicklungen der zweiten

Sternschaltung gegenläufig von Kühlmittel durchströmt werden;

Fig. 20 eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Anschlussstücks für die Hohlleiterenden der Parallelwicklung von Fig. 19;

Fig. 21 eine schematische Darstellung einer parallelen Wicklung in

Sternschaltung, bei der die einzelnen Wicklungen der ersten

Sternschaltung und die entsprechenden Wicklungen der zweiten

Sternschaltung gleichläufig von Kühlmittel durchströmt werden;

Fig. 22 eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Anschlussstücks für die Hohlleiterenden der Parallelwicklung von Fig. 21 ; Fig. 23 eine schematische Darstellung einer Parallelwicklung mit zwei parallelen Sternschaltungen, bei der die Wicklungen der einzelnen Sternschaltungen jeweils einen internen Kühlmittelanschluss aufweisen;

Fig. 24 eine schematische Darstellung eines gemeinsamen Anschlussstücks für die Hohlleiterenden der Parallelwicklung von Fig. 23;

Fig. 25 eine schematische Darstellung eines Stators eines Außenläufer-Motors mit einer speziellen Anordnung von Zahnspulen; Fig. 26 eine Seitenansicht auf einen Hohldraht gemäß einer speziellen

Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 27 eine Querschnittsansicht des Hohldrahts von Fig. 26; und Fig. 28 einen elektrischen und hydraulischen Schaltplan einer Wicklung für eine Phase einer mehrphasigen elektrischen Maschine.

Ausführungsformen der Erfindung Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer dreiphasigen Synchronmaschine 10 mit einem innenliegenden Stator 14 und einem außenliegenden Rotor (nicht gezeigt). Die elektrischen Phasen sind mit L1 , L2 und L3 bzw. 0 bezeichnet und in Sternschaltung verschaltet. Der Stator 14 umfasst hier sechs Zähne 16, auf denen die einzelnen Wicklungen U, V und W angeordnet sind. Die Wicklungen U, V, W bestehen jeweils aus einem Hohldraht 3, durch den ein Kühlmittel strömt, um den Elektromotor 10 zu kühlen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird an den Hohlleiterenden der einzelnen Wicklungen U, V, W sowie am Sternpunkt 0 jeweils Kühlmittel zugeführt. Jede der Wicklungen U, V, W umfasst ferner ein internes Anschlussstück 20, welches die jeweilige Wicklung U, V, W in zwei Teilwicklungen U01 , U02; V01 , V02; W01 , W02 unterteilt. Jede Teilwicklung umfasst genau eine Spule, die auf jeweils einem Zahn 16 des Rotors 14 angeordnet ist. Die Anschlussstücke 20 sind im vorliegenden Fall T-Stücke, die jeweils einen Kühlmittelauslass bereitstellen. Die in Fig. 1 dargestellte Synchronmaschine umfasst ferner ein Kühlsystem mit einer Kühlmittelpumpe 17 und einem Wärmetauscher 18. Die Pumpe 17 pumpt Kühlmittel durch verschiedene Kühlmittelleitungen 19 zu den phasenseitigen Enden der Wicklungen U, V, W, sowie zum Sternpunkt 0, wo das Kühlmittel in die Wicklungen U, V, W eintritt. Das Kühlmittel fließt dann jeweils durch die einzelnen Teilwicklungen U01 , ... W02 und über die Anschlussstücke 20 in Richtung des Wärmetauschers 8, wo es abgekühlt wird und zurück zur Pumpe 17 fließt.

Der elektrische und hydraulische Schaltplan der Synchronmaschine von Fig. 1 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Pfeile 1 1 bezeichnen dabei einen

Kühlmitteleingang und die Pfeile 12 einen Kühlmittelausgang. Die

Kühlmittelanschlüsse der einzelnen Anschlussstücke 20 sind jeweils mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel dienen sämtliche Kühlmittelanschlüsse 5 als Kühlmittelausgänge 12. Bei einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit mehreren Phasenwicklungen (z. B. U, V, W) können die einzelnen Wicklungen U, V, W aber prinzipiell in beliebiger Richtung von Kühlmittel durchströmt werden. Es steht dem Fachmann frei, die Anordnung der einzelnen Hohlleiterspulen und die Strömungsrichtung so zu wählen, dass eine möglichst gute Kühlung erreicht wird.

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Dreieckschaltung, bei der die einzelnen Wicklungen gegenläufig durchströmt werden.„Gegenläufig" bedeutet in diesem Fall, dass die mit einer bestimmten elektrischen Phase (z. B. L1 ) verbundenen Wicklungsenden (z. B. U1 , W2) in entgegengesetzter Richtung von Kühlmittel durchströmt werden. Im dargestellten Beispiel ist das Hohlleiterende U1 ein Kühlmittelausgang 12 und das Hohlleiterende W2 ein Kühlmitteleingang 1 1 . Auch an den anderen Phasenanschlüssen L2 und L3 ist die Strömungsrichtung, wie erkennbar, gegenläufig. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Anschlussstücks 6 für sämtliche Hohlleiterenden (IM , W2) der einzelnen Wicklungen U, V, W. Das

Anschlussstück 6 hat einen gemeinsamen Kühlmitteleingang 8 und einen gemeinsamen Kühlmittelausgang 9. Das am Kühlmitteleingang 8 zugeführte Kühlmittel wird über einen Verteiler zu den einzelnen Hohlleiterenden U2, V2, W2 geleitet, wo es in die jeweilige Wicklung U, V, W eintritt. Das am

gegenüberliegenden Ende V1 , W1 , U1 austretende Kühlmittel wird in einem Sannnnelkanal gesannnnelt und dem gemeinsamen Ausgang 9 des Anschlussstücks 6 zugeführt. In Fig. 4 ist das Einströmen von Kühlmittel durch Pfeile dargestellt, die vom jeweiligen Hohlleiterende U1 , W2 nach außen gerichtet sind, und das Ausströmen von Kühlmittel ist durch Pfeile dargestellt, die auf das jeweilige Hohlleiterende U1 , W2 zeigen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Dreieckschaltung bzw. ein Anschlussstück 6, bei der bzw. dem die Strömungsrichtung im Wesentlichen gleichläufig ist.„Gleichläufig" bedeutet in diesem Fall, dass an wenigstens zwei der drei Phasenanschlüsse L1 , L2, L3 das Kühlmittel jeweils nur ausströmt oder nur einströmt. Die

Strömungsrichtung ist wiederum durch Pfeile dargestellt.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Parallelwicklung aus zwei parallelen Dreieckschaltungen, bei der die Wicklungen U, V, W einer ersten Dreieckschaltung und die entsprechenden Wicklungen IT, V, W einer zweiten Dreieckschaltung elektrisch parallel geschaltet sind. Wie an den dargestellten Pfeilen zu erkennen ist, wird die erste Dreieckschaltung A gegenläufig und die zweite Dreieckschaltung B ebenfalls gegenläufig von Kühlmittel durchströmt.

Darüber hinaus ist die Flussrichtung in einer Wicklung U, V, W der ersten

Dreieckschaltung A immer gegensinnig zur Flussrichtung in der parallelen

Wicklung IT, V, W der zweiten Dreieckschaltung A i

Ein zugehöriges Anschlussstück 6 ist in Fig. 8 dargestellt.

Fig. 9 zeigt eine Parallelwicklung ähnlich wie Fig. 7, bei der die einzelnen

Dreiecksschaltungen allerdings gleichläufig durchströmt werden. Die

Strömungsrichtung der ersten Dreieckschaltung A ist jedoch gegensinnig zur Strömungsrichtung der zweiten Dreieckschaltung B. An jedem Phasenpunkt der Dreieckschaltungen A, B fließt somit Kühlmittel in zwei Hohlleiterenden hinein und aus zwei Hohlleiterenden heraus. Das zugehörige Anschlussstück 6 ist in Fig. 10 dargestellt.

Fig. 1 1 zeigt eine Parallelwicklung, ähnlich wie Fig. 9, bei der die beiden

Dreieckschaltungen A, B jeweils gleichläufig durchströmt werden. Die

Strömungsrichtung durch die einzelnen Wicklungen U, V, W der ersten

Dreieckschaltung A ist gleichsinnig zur Strömungsrichtung durch die jeweils parallelen Wicklungen IT, V, W der zweiten Dreieckschaltung B. Das zugehörige Anschlussstück ist in Fig. 12 dargestellt.

Fig. 13 zeigt eine Parallelwicklung aus zwei elektrisch parallel geschalteten Dreieckschaltungen, bei der jede der Wicklungen U, IT W, W einen internen Kühlmittelanschluss 5 in Form eines T-Stücks 20 aufweist, wodurch die

Wicklungen U...W, U' ...W in jeweils zwei Teilwicklungen U01 , U02...W01 , W02 unterteilt werden. Bei der links dargestellten Dreieckschaltung wird an den phasenseitigen Hohlleiterenden U1 ,U2 ... W1 ,W2 jeweils Kühlmittel zugeführt und an den Kühlmittelanschlüssen 5 bzw. Ut1 , Ut2...Wt1 , Wt2 der Anschlussstücke 20 abgeführt. Bei der rechts dargestellten Dreieckschaltung ist es genau umgekehrt.

Fig. 13 zeigt war Anschlussstücke 20 in Form von T-Stücken. Diese sind aber nicht unbedingt erforderlich, denn die aneinander angrenzenden Enden zweier seriell aufeinanderfolgender Teilwicklungen U01 , U02...W01 , W02 können z. B. auch direkt an ein gemeinsames Anschlussstück 6 angeschlossen werden.

Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung eines zugehörigen Anschlussstücks 6 für die einzelnen Kühlmittelanschlüsse 7. Im vorliegenden Fall sind sämtliche Hohlleiterenden U1 ,U2 ... W1 ,W2, Ut1 , Ut2...Wt1 , Wt2 der Schaltung am

Anschlussstück 6 angeschlossen. Wahlweise könnten aber auch weniger

Anschlüsse 7 vorgesehen sein. Die Hohlleiterenden U1 ,U2 ... W1 könnten z. B. an einem ersten Anschlussstück 6 und die Hohlleiterenden Ut1 , Ut2...Wt1 , Wt2 z. B. an einem zweiten Anschlussstück 6 angeschlossen sein. In den Fig. 15 bis 24 sind verschiedene hydraulische Strömungs-Schemata für eine Sternschaltung gezeigt. Die Fig. 15 bis 18 beziehen sich dabei auf eine einfache Wicklung und die Fig. 19 bis 24 auf eine Parallelwicklung. Die

Strömungsrichtung des Kühlmittels ist jeweils durch Pfeile angezeigt und ist selbsterklärend.

Fig. 25 zeigt eine schematische Ansicht eines Stators 14 einer elektrischen Maschine 10, an dessen Außenumfang eine Anzahl von Zähnen 16 vorgesehen ist. Zur besseren Übersichtlichkeit ist hier nur das Wickelschema einer der Wicklungungen (hier U) dargestellt. Die Wicklung U umfasst hier insgesamt acht Spulen S1 -S4, die jeweils auf einem der Zähne 16 angeordnet sind. Vier der

Spulen S1 -S4 gehören zu einer ersten Teilwicklung U01 , und weitere vier Spulen zu einer zweiten Teilwicklung U02. Die beiden Teilwicklungen U01 , U02 sind elektrisch in Serie geschaltet und bilden eine Wicklung U.

Die seriell verbundenen Spulen S1 -S4 jeder Teilwicklung U01 , U02 sind jeweils um 90° versetzt angeordnet. Das Ende U01 ₁ der Wicklung U ist an der Phase L1 , und das andere Ende U02 ₂ am Sternpunkt 0 angeschlossen. Darüber hinaus sind die einzelnen Spulen S1 -S4 der beiden Teilwicklungen U01 , U02 so angeordnet, dass das Kühlmittel in entgegen gesetzter Richtung durch die Teilwicklungen U01 , U02 fließt. Bezüglich der ersten Teilwicklung U01 wird am Hohlleiterende U01 ₁ Kühlmittel zugeführt und am Hohlleiterende UOI ₂ Kühlmittel abgeführt. Bezüglich der zweiten Teilwicklung U02 wird am Hohlleiterende U02i Kühlmittel zugeführt und am

Hohlleiterende U02 ₂ Kühlmittel abgeführt. Die einzelnen Spulen S1 -S4 der beiden Teilwicklungen U01 , U02 sind so am Umfang des Stators 14 angeordnet, dass das Kühlmittel in entgegen gesetzter Richtung durch die Teilwicklungen U01 , U02 fließt.

Darüber hinaus ist eine Spule (z. B. S1 ), die näher am Kühlmitteleingang 1 1 der zugehörigen Teilwicklung (U01 ) liegt, unmittelbar benachbart zu einer Spule (z. B. S4) der anderen Teilwicklung (U2) angeordnet, die weiter vom Kühlmitteleingang 1 1 der zweiten Teilwicklung (U02) entfernt ist. Dadurch wird eine thermisch kühlere Spule (S1 ) neben einer thermisch heißeren Spule (S4) angeordnet, so dass am Stator 14 keine thermischen Hotspots entstehen. In der rechts dargestellten vergrößerten Ansicht zweier Zähne 16 ist darüber hinaus zu erkennen, dass der Wicklungssinn bei benachbarten Zähnen 16 vorzugsweise gegensinnig ist, so dass ein Nordpol N und ein Südpol S entstehen.

Fig. 26 zeigt eine schematische Seitenansicht auf einen Hohldraht 3, wie er zur Herstellung einer Wicklung U,V, W verwendet werden kann. Der Hohldraht 3 hat einen Mantel 4 mit einem inneren Hohlraum 25, der einen in Längsrichtung durchgehenden Fluidkanal bildet.

In Fig. 27 ist zu sehen, dass sowohl der Mantel 4 als auch der Hohlraum 25 einen runden Querschnitt haben. Die Querschnittsform von Mantel 4 und Hohlraum 25 könnte sich aber auch unterscheiden, z. B. rund und eckig oder oval und eckig, etc..

Fig. 28 zeigt schließlich noch einen elektrischen und hydraulischen Schaltplan der Wicklung U von Fig. 25. Die Wicklung U hat einen internen Kuhinnittelanschluss 5, der die Wicklung in zwei Teilwicklungen U01 , U02 mit jeweils vier Spulen S1 -S4 unterteilt. Durch parallele Striche 21 ist jeweils angedeutet, welche der Spulen S1 - S4 der einzelnen Teilwicklungen U01 , U02 benachbart angeordnet sind. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist wiederum durch Pfeile 1 1 , 12 angezeigt, wobei 1 1 einen Kühlmittelausgang und 12 einen Kühlmitteleingang bezeichnet. Die Flussrichtung könnte aber auch anders gewählt werden. Der

Kühlmittelanschluss 5 stellt hier sowohl einen Kühlmitteleingang 1 1 als auch einen Kühlmittelausgang 12 bereit und ist Teil eines Anschlussstücks 6 (gemeinsames Anschlussstück mit Verteiler und Sammelkanal) oder 20 (T-Stück). Alternativ könnte der Kühlmitteleingang 1 1 und der Kühlmittelausgang 12 natürlich auch an separaten Anschlussstücken vorgesehen sein.

Dem Fachmann ist klar, dass er durch eine Variation verschiedener Parameter, wie z. B. der Anzahl der Kühlmittelanschlüsse 5, der Teilwicklungen U01 , U02, der Anzahl der einzelnen Spulen S1 -S4 pro Teilwicklung U01 , U02, der

Strömungsrichtung des Kühlmittels oder der physischen Anordnung der einzelnen Spulen S1 -S4 am Elektromaschinen-Bauteil 14 verschiedenste weitere

Ausführungsformen erzeugen kann, die ebenfalls das Grundprinzip der

vorliegenden Erfindung verwirklichen. Die in den Figuren dargestellten

Ausführungsformen stellen nur eine begrenzte Anzahl von Beispielen möglicher Ausführungsformen dar.