Formspulenwicklung für einen Stator einer elektrischen rotie- renden Maschine

Die Erfindung betrifft eine Formspulenwicklung für einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine. Ferner betrifft die Erfindung einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einer derartigen Formspulenwicklung .

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine elektrische rotie- rende Maschine mit mindestens einem derartigen Stator.

Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Formspulenwicklung für einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine.

Derartige Formspulenwicklungen werden bevorzugt in großen elektrischen rotierenden Maschinen, insbesondere in großen Motoren und Generatoren, die mit einer Leistung von mindestens einem Megawatt betreibbar sind, eingesetzt. Bei großen elektrischen Maschinen besteht oftmals die Schwierigkeit, ei ^¬ ne passende Spulenwindungszahl bei der elektrischen Auslegung zu finden, da aufgrund des hohen magnetischen Flusses der großen Maschinen und einer begrenzten Statorspannung häufig nur sehr kleine Windungszahlen möglich sind. Insbesondere bei sehr niedrigen Windungszahlen bedeuten Windungszahlsprünge große Veränderungen des magnetischen Flusses. Zu hohe oder zu niedrige magnetische Sättigungen mit hohen Verlusten sind die Folge. Eine Möglichkeit ist, die Länge der Maschine anzupas ^¬ sen. Häufig ist es erforderlich, die Maschine zu verlängern, was zu einer Vergrößerung des benötigten Bauraums führt.

Durch die Verwendung in von in Reihe geschalteter Spulen unterschiedlicher Windungszahl Umfangsrichtung wechselnder Windungszahlen lässt sich, insbesondere im niedrigen Windungs- zahlbereich, eine feinere Abstufung einer spannungshaltenden Windungszahl realisieren, ohne die Maschine unnötig in ihren Abmessungen zu verändern. Eine spannungshaltende Windungszahl ist die Summe der Windungszahlen aller in Reihe geschalteter Spulen. Mit konventionell ausgeführten Formspulen ist ein

Statorwicklungssystem mit abwechselnden Windungszahlen nicht realisierbar, da die Schenkelhöhe der Formspulen abhängig von der Windungszahl ist. Für unterschiedliche Windungszahlen würden sich ungleich große Spulenschenkel ergeben, welche bei einer konventionellen Ausführung der Formspulen, beispielsweise im Bereich von Kreuzungspunkten, zu einer Kollision im Wickelkopf führen würde.

Die Patentschrift DE 10 2012 103 941 B4 beschreibt ein Ver- fahren zur Herstellung einer Wechselstromwicklung für eine rotierende elektrische Maschine aus Runddrähten mit einer Träufel- oder Einziehwicklung, welche in einem Drahtdurchmes ^¬ ser und in einer Windungszahl variierbar ist. Die Patentschrift DE 10 2009 036 034 B4 beschreibt eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator, der Nuten zur Aufnahme von Spulen einer Zahnspulenwicklung umfasst, und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor. Eine erste Spule in einer ersten Nut weist eine erste Windungszahl auf, eine ers- te Spule in einer zweiten Nut weist eine zweite Windungszahl auf, die von der ersten Windungszahl der ersten Spule verschieden ist, eine zweite Spule in der ersten Nut weist eine erste Windungszahl auf und eine zweite Spule in der zweiten Nut weist eine zweite Windungszahl auf, die von der ersten Windungszahl der zweiten Spule verschieden ist. Die Gesamtzahl der Windungen in der ersten Nut ist verschieden von der Gesamtzahl der Windungen in der zweiten Nut.

Die Offenlegungsschrift EP 3 118 973 AI beschreibt eine ro- tierende elektrische Maschine, bei der die axialen Längen der Spulenenden der verteilten Wicklungsspulen reduziert sind, während eine gegenseitige Beeinflussung verhindert wird. Die rotierende elektrische Maschine umfasst einen Stator und ei- nen Rotor, der über einen Luftspalt vom Stator getrennt angeordnet ist. Der Stator weist Nuten für Spulen in einem

Stator-Eisenkern auf, wobei die Spulen in einer verteilten Zweischichtwicklung in den Spulenschlitzen angeordnet sind. Die Spulen sind an ihren Spulenenden in einer radialen Richtung gebogen.

Die Offenlegungsschrift WO 2010/054651 A2 beschreibt eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst Nuten zur Aufnahme einer Spule einer elektrischen Wicklung. Die Spule weist in einer ersten Nut eine erste Windungszahl und in einer zweiten Nut eine zweite Windungszahl auf. Die Wicklung ist als Zahnspulenwicklung ausgeführt .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Formspulen ^¬ wicklung für einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine anzugeben, welche unterschiedliche Windungszahlen für einen Teil der Formspulen der Formspulenwicklung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Formspulenwick ^¬ lung für einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine gelöst, welche als Zweischichtwicklung ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Formspulen mit jeweils einer Oberlage und einer Unterlage umfasst, wobei die Formspulen zwei Nutab ^¬ schnitte und zwei Wickelkopfabschnitte aufweisen und wobei die Oberlage und die Unterlage in den Wickelkopfabschnitten jeweils mittels einer ersten ebenen Biegung radial nach außen gekröpft sind, wobei mindestens eine erste Formspule eine erste Windungszahl aufweist, wobei mindestens eine zweite

Formspule eine zweite Windungszahl aufweist, welche von der ersten Windungszahl der ersten Formspule verschieden ist.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einer derartigen Formspulenwicklung gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einem derarti ^¬ gen Stator gelöst. Überdies wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer Formspulenwicklung für einen Stator einer elektrischen rotierenden Maschine gelöst, welche als Zweischichtwicklung ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Formspulen mit jeweils eine Oberlage und eine Unterlage um- fasst, wobei die Formspulen zwei Nutabschnitte und zwei Wi ^¬ ckelkopfabschnitte aufweisen, wobei die Oberlage und die Un ^¬ terlage im Bereich der Wickelkopfabschnitte jeweils mittels einer ersten ebenen Biegung, insbesondere unter einem Winkel von 80° bis 90°, radial nach außen gekröpft werden, wobei mindestens eine erste Formspule eine erste Windungszahl auf ^¬ weist, wobei mindestens eine zweite Formspule eine zweite Windungszahl aufweist, welche von der ersten Windungszahl der ersten Formspule verschieden ist. Die in Bezug auf die Formspulenwicklung nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf den Stator, die elektrische rotierende Maschine und das Herstellungsverfahren übertragen. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, eine Statorwicklung für eine elektrische rotierende Maschine, die insbe ^¬ sondere mit einer Leistung von mindestens einem Megawatt betreibbar ist, anzugeben, für welche der magnetische Fluss der Statorwicklung, insbesondere bei sehr niedrigen Windungs- zahlen, flexibel skalierbar ist, ohne die axiale Länge der Maschine verändern zu müssen. Eine sehr niedrige maximale Windungszahl ist beispielsweise 8. Es werden Formspulen für die elektrische rotierende Maschine verwendet, die in einer Zweischichtwicklung angeordnet sind. Eine Zweischichtwicklung ist vorteilhaft, da durch sie, im Vergleich zu einer Ein ^¬ schichtwicklung, ein höherer Wicklungsfaktor, geringere Wicklungsverluste und ein kleinerer Oberwellengehalt erreicht werden. Um die axiale Länge der Maschine nicht verändern zu müssen, sollen die am Umfang verteilt angeordneten Formspulen mit beispielsweise wechselnden Windungszahlen verwendet werden, durch die sich eine feinere Abstufung der spannungshal- tenden Windungszahl realisieren lässt. Da die Schenkelhöhe der Unterlage und Oberlage mit der Windungszahl variiert, würden die Spulen unterschiedlicher Windungszahlen in der üblichen Ausführung ohne die radiale Abkröpfung an den Enden der Nutseite im Wickelkopf, beispielsweise im Bereich von Kreuzungspunkten, kollidieren. Um derartige Kollisionen zu vermeiden, werden die Lagen der Formspulen jeweils mittels einer ersten ebenen Biegung radial nach außen gekröpft. Ein weiterer Vorteil einer ebenen Biegung ist, dass die Spulengeometrie einfacher ist und kostengünstiger herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil eines senkrecht abgekröpften Wickelkop- fes ist, dass der Stator gegenüber der herkömmlichen Ausführung kürzer ist.

Mindestens eine erste Formspule weist eine erste Windungszahl auf, wobei mindestens eine zweite Formspule eine zweite Win- dungszahl aufweist, welche von der ersten Windungszahl der ersten Formspule verschieden ist. Durch die Verwendung von Formspulen mit unterschiedlichen Windungszahlen, liegen beispielsweise zwei Spulennutseiten unterschiedlicher Windungszahl innerhalb einer Nut. Aus der Reihenschaltung dieser Spu- len unterschiedlicher Windungszahl ergeben sich feinere Abstufungsmöglichkeiten der spannungshaltenden Windungszahl, als es aus der Reihenschaltung von Spulen gleicher Windungszahl möglich wäre. Da, insbesondere bei sehr niedrigen Windungszahlen, Windungszahlsprünge große Veränderungen des mag- netischen Flusses bedeuten und zu hohe oder zu niedrige mag ^¬ netische Sättigungen zu hohen Verlusten führen, führt die Verwendung von Formspulen mit unterschiedlichen Windungszahlen zu geringeren Verlusten im Stator. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Oberlage und die Unterlage unter einem Winkel von 80° bis 90° radial nach au ^¬ ßen gekröpft. Um eine Kollision von Spulen unterschiedlicher Windungszahlen in den Wickelköpfen, insbesondere an Kreu- zungspunkten, zu vermeiden, werden die Lagen mit einer ebenen Biegung im Wesentlichen senkrecht nach außen gekröpft. Zusätzlich wird durch das sehr steile Abkröpfen eine Wickelkopfausladung der Formspulenwicklung verringert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bilden die Oberlage und die Unterlage nach der Kröpfung jeweils eine ge ^¬ genläufige zweite ebene Biegung in Umfangsrichtung aus. Der weitere Verlauf der Lagen wird beispielswiese in Form einer Evolvente, eines Kreisbogens, einer Gerade oder einer Frei ^¬ formlinie ausgestaltet. Durch eine derartige Gestaltung des Wickelkopfs entsteht ein im Wesentlichen konstanter Abstand benachbarter Spulenstirnseiten zueinander. Besonders vorteilhaft sind die Oberlage und die Unterlage der jeweiligen Formspulen mit einem Schrittwinkel von höchstens 60° versetzt angeordnet. Insbesondere bei hochpoligen Maschi ^¬ nen mit mindestens 8 Polen, insbesondere mit 32 oder 72 Po ^¬ len, ist ein derartiger Schrittwinkel zu überbrücken. Durch einen derartigen Schrittwinkel ist der Außendurchmesser der Formspulenwicklung im Bereich der Wickelköpfe gering und die Wicklung ist ohne Veränderungen am Ständerblechpaket montierbar. Da mit steigender Polpaarzahl der Schrittwinkel kleiner wird, wird die Wicklungsmontage insbesondere für derartige Formspulen erheblich erleichtert.

Besonders vorteilhaft sind die erste Formspule und die zweite Formspule alternierend angeordnet. Eine derartige Anordnung führt zu einer symmetrischen Feldverteilung.

Vorteilhaft bilden jeweils eine Oberlage einer ersten Form ^¬ spule und eine Unterlage einer zweiten Formspule eine Nutfül ^¬ lung. Durch eine derartige Anordnung der Formspulen werden ein hoher Wicklungsfaktor, geringere Wicklungsverluste und ein kleinerer Oberwellengehalt erreicht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Summe der Windungszahlen jeder Nutfüllung gleich. Insbesondere wird er- reicht, dass die Summe der Windungszahlen jeder Nutfüllung gleich ist, wenn ein Muster so verteilt ist, dass eine Mus ^¬ terlänge höchstens gleich einer Spulenweite ist. Ein Muster ist eine Abfolge der Lagen unterschiedlicher Windungszahlen in aufeinanderfolgenden Nutfüllungen, wobei eine Musterlänge ein Betrag einer Länge der sich wiederholenden Abfolge von Lagen unterschiedlicher Windungszahlen ist. Beispielsweise weist eine erste Nutfüllung eine Oberlage mit 5 Windungen und eine Unterlage mit 4 Windungen auf, während eine zweite Nut- füllung eine Oberlage mit 4 Windungen und eine Unterlage mit 5 Windungen aufweist. Die Summe der Windungszahlen einer Nutfüllung ist dann immer 9 während die Musterlänge 2 beträgt. Ist die Summe der Windungszahlen jeder Nutfüllung gleich, wird eine optimale Nutfüllung erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Verhältnis der Windungszahlen zueinander nicht ganzzahlig und/oder ein Betrag einer Differenz der Windungszahlen gleich 1. Beispielsweise ist das Verhältnis der Windungszahlen zu- einander 3:2, 4:3 oder 5:4. Durch ein derartiges Verhältnis der Windungszahlen ist vorteilhaft eine optimal feine Abstu ^¬ fung der spannungshaltenden Windungszahl realisierbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert .

Es zeigen: FIG 1 einen Längsschnitt einer elektrischen rotierenden

Maschine mit einer Formspulenwicklung,

FIG 2 einen vergrößerten Querschnitt eines Stators mit ei ^¬ ner Formspulenwicklung,

FIG 3 eine perspektivische Darstellung einer Formspule ei ^¬ ner Formspulenwicklung, FIG 4 eine perspektivische Darstellung von Formspulen einer Formspulenwicklung mit unterschiedlichen Windungszahlen und

FIG 5 eine perspektivische Darstellung einer Formspulenwicklung mit Formspulen unterschiedlicher Windungszahlen .

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.

FIG 1 zeigt einen Längsschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine 2 mit einer Formspulenwicklung 4. Die elektrische rotierende Maschine 2 weist einen um eine Rotationsachse 6 rotierbaren Rotor 8 und einen den Rotor 8 umgebenden Stator

10 auf, wobei sich zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 10 ein Spalt 12, der insbesondere als Luftspalt ausgeführt ist, be ^¬ findet. Die Rotationsachse 6 definiert eine Axialrichtung, eine Radialrichtung und eine Umfangsrichtung . Der Rotor 8 um- fasst eine Welle 14 und ein Rotorblechpaket 16, in dem exem ^¬ plarisch Permanentmagnete 18 angeordnet sind. Alternativ weist der Rotor 8 eine Erregerwicklung oder einen Kurzschlusskäfig auf. Die elektrische rotierende Maschine 2 weist mindestens acht magnetische Pole auf. Der Stator 10 umfasst ein Statorblechpaket 20 mit der Formspulenwicklung 4, welche eine Mehrzahl von Formspulen 22 umfasst. Die Formspulen 22 der Formspulenwicklung 4 verlaufen in Nuten 24 in Axialrichtung durch das Statorblechpaket 20 und bilden an den axialen Enden des Statorblechpakets 20 Wickelköpfe 24 aus. Die Berei- che der Formspulen 22, die sich innerhalb der Nuten 24 des Statorblechpakets 20 befinden, werden als Nutabschnitte 28 bezeichnet. Die Bereiche der Formspulen 22, die sich außerhalb der Nuten 24 des Statorblechpakets 20 befinden, werden als Wickelkopfabschnitte 30 bezeichnet.

FIG 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Stators 10 mit einer Formspulenwicklung 4, welche in ein Statorblechpaket 20 eingelegt ist. Die Formspulenwicklung 4 ist als ge- sehnte Zweischichtwicklung ausgebildet und umfasst eine Mehr ^¬ zahl von Formspulen 22 mit jeweils einer Oberlage 32 und einer Unterlage 34. Die Formspulen 22 der Formspulenwicklung 4 sind in Nuten 24 des Statorblechpakets 20 angeordnet, wobei jeweils die Oberlage 32 und Unterlage 34 einer Formspule 22 unter einem Schrittwinkel ß versetzt zueinander angeordnet ist. Der Schrittwinkel ß beträgt insbesondere maximal 60°. Eine Spulenweite beträgt in FIG 2 exemplarische 4 Nuten. In jeder der Nuten 24 ist eine Lage 32, 34 einer ersten Formspu- le 22a mit einer ersten Windungszahl nl und eine Lage 34, 32 einer zweiten Formspule 22b mit einer zweiten Windungszahl n2 angeordnet. Die Lage 32, 34 der ersten Formspule und die Lage 34, 32 der zweiten Formspule 22b bilden eine Nutfüllung 36. Insbesondere ist die erste Windungszahl nl größer als die zweite Windungszahl n2. Ein Verhältnis der Windungszahlen nl, n2 zueinander ist nicht ganzzahlig und ein Betrag einer Differenz der Windungszahlen nl, n2 ist gleich 1. Beispielsweise ist das Verhältnis der Windungszahlen nl, n2 zueinander 3:2, 4:3 oder 5:4. Die Formspulen 22a, 22b sind in den Nuten 24 alternierend angeordnet, sodass sich sowohl in einem Nutgrund als auch in einem Nutkopf der Nuten 24 Lagen 32, 34 von Formspulen 22a, 22b mit Windungszahl nl und Windungszahl n2 abwechseln. Die Summe der Windungszahlen nl, n2 jeder Nut 24 ist gleich. In FIG 2 ist eine Musterlänge gleich 2, wobei ein Muster eine Abfolge von Lagen 32, 34 unterschiedlicher Windungszahlen nl, n2 in aufeinanderfolgenden Nuten 24 ist und wobei eine Musterlänge ein Betrag einer Länge der sich wie ^¬ derholenden Abfolge von Lagen 32, 34 unterschiedlicher Windungszahlen nl, n2 ist. Das Muster aus dem Nutgrund wieder- holt sich im Nutkopf nach der Spulenweite von 4 Nuten. Die weitere Ausführung der Formspulenwicklung 4 entspricht der Ausführung in FIG 1.

FIG 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Formspule 22 einer Formspulenwicklung 4, wobei die Formspulenwicklung 4 als Zweischichtwicklung ausgeführt ist. Daher weist die Formspule 22 eine Oberlage 32 und eine Unterlage 34 auf, die, wie in FIG 2 zu sehen, in den Nuten 24 des Statorblechpakets 20 angeordnet sind. Das Statorblechpaket 20 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in FIG 3 nicht dargestellt. Der Bereich der Formspule 22, der sich innerhalb des Statorblechpakets 20 be ^¬ findet, wird Nutabschnitt 28 genannt. Die Teile der Formspule 22, die sich außerhalb des Statorblechpakets 20 befinden, werden Wickelkopfabschnitte 30 genannt. Die Oberlage 32 und die Unterlage 34 der Formspule 22 bilden einen Schrittwinkel ß von insbesondere maximal 60° aus. Nach dem Austritt aus dem Statorblechpaket 20 sind die Lagen 32, 34 in den Wickelkopf- abschnitten jeweils unter einem Winkel von 80° bis 90° in einer ebenen Biegung 38 radial nach außen gekröpft, um eine Kollision von Lagen 32, 34 mit unterschiedlichen Windungszahlen nl, n2 im Wickelkopf 26 zu verhindern. Hierbei ist eine der beiden Lagen 32, 34 beidseitig vor der ersten ebenen Bie- gung 38 länger als der andere, sodass die Formspule 22, bei Vernachlässigung der Spulenableitungen, wesentlich symmetrisch bezüglich einer durch eine axiale Mitte des Statorblechpakets 20 verlaufende Querschnittsfläche ist. Durch das starke Abkröpfen der Lagen 32, 34 nach dem Nutaustritt und die ebene Biegung 38 wird erreicht, dass sich aufgrund unter ^¬ schiedlicher Windungszahlen nl, n2 und damit verbundenen unterschiedlich hohen Lagen 32, 34 diese sich im Wickelkopfabschnitt 30 nicht berühren. Die weitere Ausführung der Formspule 22 entspricht der Ausführung in FIG 2.

FIG 4 zeigt eine perspektivische Darstellung von Formspulen 22a, 22b einer Formspulenwicklung 4 mit unterschiedlichen Windungszahlen nl, n2. Wie in FIG 2 zu sehen, bilden zwei Lagen 32, 34 unterschiedlicher Formspulen 22a, 22b eine Nutfül- lung 36, wobei sich die Formspulen 22a, 22b insbesondere durch ihre Windungszahl nl, n2 unterscheiden. Die erste Windungszahl nl der ersten Formspule 22a ist größer als die zweite Windungszahl n2 der zweiten Formspule 22b. Die Formspulen 22a, 22b sind alternierend angeordnet, sodass sich so- wohl im Nutgrund als auch zum Nutkopf Lagen 32, 34 von Formspulen 22a, 22b mit Windungszahl nl und Windungszahl n2 abwechseln. Die Summe der Windungszahlen nl, n2 in jeder Nut- füllung 36 ist gleich. Die weitere Ausführung der Formspulen 22 entspricht der Ausführung in FIG 3.

FIG 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Formspu- lenwicklung 4 mit Formspulen 22a, 22b unterschiedlicher Windungszahlen nl, n2. Exemplarisch zwei Sätze von Formspulen 22a, 22b werden abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet. Durch die Anordnung von Formspulen 22a, 22b mit unterschiedlichen Windungszahlen nl, n2 ergeben sich im Mittel nicht- ganzzahlige Windungszahlen, wodurch die spannungshaltende

Windungszahl feiner gestuft werden kann. Die weitere Ausführung der Formspulenwicklung 4 entspricht der Ausführung in FIG 4. Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Formspulenwick ^¬ lung 4 für einen Stator 10 einer elektrischen rotierenden Maschine 2. Um unterschiedliche Windungszahlen für einen Teil der Formspulen 22, 22a, 22b der Formspulenwicklung 4 zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Formspulenwicklung 4 als Zweischichtwicklung ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Formspulen 22, 22a, 22b mit jeweils einer Oberlage 32 und ei ^¬ ner Unterlage 34 umfasst, wobei die Formspulen 22, 22a, 22b zwei Nutabschnitte 28 und zwei Wickelkopfabschnitte 30 auf ^¬ weisen und wobei die Oberlage 32 und die Unterlage 34 in den Wickelkopfabschnitten 30 jeweils mittels einer ersten ebenen Biegung 38 radial nach außen gekröpft sind.