Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine mit achsparallelen Nutstäben gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Bei der Steigerung der Leistungsdichte hocheffizienter elektrischer Maschinen spielt die Bau¬ form und Anordnung der Leiter eine entscheidende Rolle.

Aus der US-PS 41 15 915 ist ein Verfahren bekannt, indem achsparallele Nutstäbe durch auf Isolierplatten geklebte, gebogene Profilleiter verbunden werden. Die große Anzahl und die Bauform der Verbindungsstellen führen in diesem Verfahren jedoch zu einem hohen Ferti¬ gungsaufwand und vergrößern die Störanfälligkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit achsparallelen Nutstäben derart weiterzubilden, daß eine hohe Leistungsdichte bei geringen Verlusten sowie eine kostengünstige und einfache Herstellung, mit guten Kontroll- und Nachbesserungsmöglich¬ keiten erreicht wird.

Erfindungsgemäß werden die Verbindungsleiter als vorgefertigte Formteile ohne Biegeradien und mit variablem Querschnitt derart ausgestaltet, daß in den flächig an den Stirnflächen des weichmagnetischen Körpers anliegenden Verbindungsköpfen nur mit dünnen Isolierschichten überzogene Leiterteile tangential und axial flächig aneinanderliegen, wobei eine nahezu vollständige Raumausnutzung und kurze Leiterlängen erreicht werden. Durch einen Leiter¬ verlauf in mäanderförmigen Lagen oder achterförmigen Schleifen wird der Verbindungs¬ kopfraum gleichmäßig zur Stromleitung ausgenutzt, wobei durch die Verwendung von Kunst¬ stäben der Isoliermaterialanteil in den Verbindungsköpfen und die Anzahl der unterschiedlichen Verbindungsleiterbauformen minimiert wird. Vorgeferigte Einheiten halbieren die bei der Montage zu realisierenden Verbindungsstellen auf die Anzahl der Nutstäbe, wodurch in Ausführungsformen mit halbierten Verbindungsköpfen alle bei der Montage zu realisierenden Verbindungsstellen auch nachträglich noch jederzeit für Prüf- und Reparaturzwecke zugänglich sind. Weiterhin wird das Verschweißen der Leiterteile durch die axiale Vergrößerung der Ver¬ bindungsleiterenden und eine konische Ausgestaltung der Kontaktflächen wesentlich verbessert. In der Beschreibung werden alle Verbindungsleiter, die in einer Stegschicht Nutstäbe von zwei Nuten benachbarter Polteilungen miteinander verbinden, verbal als Sektoren zusammen¬ gefaßt. Verbindungsköpfe mit o-förmigen Sektoren nutzen nicht nur den Raum auf Höhe der Rückschlüsse des weichmagnetischen Körpers, sondern auch den Raum auf Höhe des Luft¬ spaltes und der Magnete aus.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Figur 1 zeigt den Leiterverlauf und die Seitenansichten der Stegschichten eines Leiter¬ stranges mit versetzten Lagen;

Figur 2 zeigt den Leiterverlauf und die Seitenansichten der Stegschichten eines Leiter¬ stranges mit achterförmigen Schleifen;

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Verbindungskopf einer dreiphasigen, zweilagigen Maschine mit o-förmigen Verbindungsleitern;

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus den beiden Leiterstränge einer zweiphasigen, dreilagigen Maschine mit o-förmigen Sektoren;

Figur 5 zeigt den Ausschnitt mit Wechselleitern aus einem Leiterstrang einer vierphasigen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen und o-förmigen Sektoren;

Figur 6 zeigt die Seitenansichten der beiden Stegschichten eines dreilagigen Leiterstranges aus einer vierphasigen, zwölfpoligen Maschine mit u-förmigen Verbindungsleitern;

Figur 7 zeigt alle Einheiten des Leiterstranges aus Figur 6 beim Zusammenschieben zu einer Einheitenstegschicht;

Figur 8 zeigt alle Verbindungs-, Wechsel- und Anschlußleiter der beiden Stegschichten einer äußeren Verbindungskopfhälfte der Maschine aus Figur 6.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Verlauf und den Seitenansichten der beiden Steg¬ schichten 14, 15 eines Leiterstranges 13 in Lagen, wobei ein sechsphasiger Leiteraufbau mit sechs Nutstäben pro Nut (z _N = 6) gewählt wurde. Die Verbindungsköpfe sind halbiert, dies ist an den großen Fenstern in den o-förmigen Sektoren sowohl in der vorderen Stegschicht 15 als auch in der hinteren Stegschicht 14 erkennbar. Die durch ihre Reihenschaltung den Leiterstrang 13 bildenden Leiterelemente sind mit 1 bis 12 durchnummeriert. Wenn der Strom - wie durch die Pfeile symbolisiert - oben links in den betrachteten Umfangsausschnitt eintritt, fließt er zuerst mäanderförmig in der aus den Leiterelementen 1 und 2 gebildeten ersten Lage von links nach rechts, dann in der zweiten Lage in Leiterelementen 3 und 4 von rechts nach links, usw.. Jede Lage besteht somit aus der Reihenschaltung aller Nutstäbe einer Phase, die den gleichen Abstand zum Luftspalt aufweisen. Der Stegraum wird vollständig und gleichmäßig zur Strom¬ leitung ausgenutzt, indem die Ströme in aufeinanderfolgenden Lagen tangential entgegengesetzt fließen. In den Verbindungsköpfen nutzen die Verbindungsleiter hierbei den Raum aus, der im weichmagnetischen Körper von den Zähnen eingenommen wird. Der Lagenwechsel erfolgt außerhalb des Bildausschnittes in Wechselleitern, die unsymmetrische Enden aufweisen. Die Schraffur der den Strom von links nach rechts leitenden Elemente ist dichter gewählt. Außer¬ dem wird der Schraffurwinkel mit abnehmender Spannung kleiner.

Eine weitere Rückführungsvariante, die eine Minimierung der unterschiedlichen Verbindungs- leiterbauformen verbunden mit einer gleichmäßigen Ausnutzung des Verbindungskopfes ermöglicht, weist einen achterförmigen Verlauf in einer oder zwei Lagen auf. Bei ungeradem z _N durchläuft ein Leiterstrang nur einmal in vorwärds- und rückwärdsgerichteten Schleifen den Umfang der Maschine und wird daher als einlagig bezeichnet. Bei geradem z _N durchläuft der Leiterstrang nachdem ersten Umlauf mit Schleifen den Maschinenumfang noch einmal in tangenial entgegengesetzter Richtung, woraus die Bezeichnung zweitägig resultiert. Figur 2 zeigt einen Umfangsausschnitt aus einem Leiterstrang mit einlagigem, achterförmigem Verlauf aus einer fünfphasigen Maschine ohne halbierte Verbindungsköpfe, wobei die unten abgebildete Stegschicht 19 die innerste Stegschicht des vorderen Verbindungskopfes und die darüber angeordnete Stegschicht 18, die äußerste Stegschicht des hinteren Verbindungskopfes darstellt. Während die innere Stegschicht 19 links und rechts der von ihr kontaktierten Nutstäbe jeweils nur die volle Zahnfläche einnimmt,, kann die äußere Stegschicht 18, da sie keine Nutstäbe anderer Leiterstränge berücksichtigen muß, die gesamte Verbindungskopfhöhe ausnutzen. In der Darstellung tritt der Strom oben links in den betrachteten Umfangsausschnitt des Leiterstranges 17 ein und durchfließt in zwei benachbarten Polteilungen zehn Leiter¬ elemente in der Reihenfolge 20 bis 29. Der Strom wechselt seine tangentiale Flußrichtung fast bei jedem Durchgang durch den weichmagnetichen Körper. Nur beim Übergang von Leiter¬ element 20 zu 21 und 25 zu 26 behält er die vorherrschende Richtung von links nach rechts bei. An diesen Stellen ändert sich dafür die Drehrichtung der Schleifen. Die Leiterelemente 20 und 22 bzw. 25 und 27 sind baugleich und Wechselleiter werden nicht benötigt, so daß sich jede Stegschicht nur aus vier unterschiedlichen Leiterbauformen zusammensetzt.

In Figur 3 ist ein sechs Polteilungen umfassender Ausschnitt aus dem Verbindungskopf einer dreiphasige Maschine ohne halbierte Verbindungsköpfe dreidimensional dargestellt. Die Stegschichten 30, 31, 32, die nach dem axialen Zusammenschieben flächig aneinanderliegen, weisen - damit die Bauformen sichtbar sind - einen Abstand zueinander auf. Weiterhin bestehen zur besseren Anschauung alle Stegschichten aus Einheiten 33 - 38, die jeweils Nutstäbe mit unterschiedlichem Abstand zur Nutöffnungsfläche verbinden, wodurch alle Leiterelemente einer Stegschicht baugleich sind. Der Strom fließt in einer Stegschicht in tangential aufeinand¬ erfolgenden Leiterelementen in unterschiedliche Richtungen. Die überschneidungsfreien äußeren Stegschichten 30 decken in den dargestellten Ausführungsformen die gesamte Außen¬ fläche ab. Alternativ können die beiden äußeren Stegschichten jedoch auch wie bei halbierten Verbindungsköpfen Fenster aufweisen in denen Leiterquerschnittsvergrößerungen der zweit-

äußersten Stegschichten axial bis nach Außen reichen. Wenn dann die inneren Stegschichten aus Einheiten aufgebaut werden, sind alle bei der Montage zu realisierenden Verbindungsstellen von außen zugänglich. Durch die großen, rechteckförmigen Leiterquerschnitte und das flächige Aneinanderfügen von Leiterteilen, ergeben sich hohe Leistungsdichten bzw. geringe ohmsche Verluste sowie ein stabiler Aufbau des gesamten Leiteraufbaus, wobei zusätzlich die Ableitung der Verlustwärme über den weichmagnetischen Körper oder direkt zu einem anliegenden Kühl¬ körper verbessert wird. Aufgrund der einseitigen Stromverdrängung kann es für die gewünschte Nuttiefe erforderlich sein Kunststäbe einzusetzen.

Figur 4 zeigt einen Umfangsausschnitt der beiden Leiterstränge 39 und 40 einer zweiphasigen Maschine, wobei von einem Leiterstrang 39 zwei Polteilungen, vom anderen Leiterstrang 40 dagegen sechs Polteilungen dargestellt sind. Die symmetrischen Leiterelementenden weisen auf die Rückführungsvariante in versetzten Lagen hin. Als Besonderheit wird der Stegraum aus¬ schließlich durch die axial verbreiterten Stege der Einheiten 41, 42, 43 genutzt, während sich die überschneidungsfreien Verbindungsleiter 44, 45, 46 auf den in Nuthöhe liegenden Ver¬ bindungskopfraum beschränken. Dabei liegen die Stege der Einheiten 41, 42, 43 radial sowohl oberhalb als auch unterhalb der Nuthöhe, womit es sich um eine Bauform mit o-förmigen Sektoren handelt. Die Enden 47 der Einheiten sind konisch ausgestaltet und werden von den Aussparungen 48 der Verbindungsleiter von allen vier Seiten umschlossen. Beim Aufpressen werden die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen durch eine geringfügige Verformung des weichen Leitermaterials ausgeglichen und damit günstige Voraussetzungen für das lokale Auf¬ schmelzen der Verbindungsstellen schaffen. Die im linken Bildausschnitt dargestellten beiden Leiterstränge 39, 40 bilden nachdem axialen Zusammenschieben kompakte, hohlraumfreie Verbindungsköpfe, wobei die Verbindungsleiterstegschichten 49 radial innerhalb der Einheiten- Stegschichten 50 liegen. Die beiden Leiterstränge sind identisch aufgebaut.

Figur 5 zeigt einen Leiterstrang aus einer fünftägigen, vierphasigen Maschine, wobei nun ein Ausschnitt gewählt wurde, der Wechselleiter beinhaltet. Die axiale Vergrößerung des Leiter¬ querschnitts der auf Nuthöhe liegenden Enden der Verbindungsleiter trägt zur besseren Raumausnutzung in den Verbindungsköpfen bei und verdoppelt die Kontaktfläche zwischen Verbindungsleitern und Nutstäben, wobei die Leiterquerschnittsvergrößerungen 69 in der inneren Stegschicht 68 um eine Nutbreite schmäler als in der äußeren Stegschicht 67 ausgeführt sind. Da ihre axialen Leiterquerschnittsvergrößerungen 69 zum weichmagnetischen Körper hinweisen, liegen die Anschlußleiter 51, 66 und die Wechselleiter 54, 57, 60, 63 in der

äußersten Stegschicht 67. Der Strom tritt durch den oben in der Mitte dargestellten Anschlu߬ leiter 51 in den Leiterstrang ein, durchläuft dann in der ersten Lage, die ausschließlich durch eine Einheitenbauform 52 und eine Verbindungsleiterbauform 53 gebildet wird, den gesamten Maschinenumfang und wechselt direkt bei der Anfangsnut durch den ersten Wechselleiter 54 in die zweite Lage. Diese wird nun wiederum durch zwei Leiterelemente 55 und 56 gebildet und durchläuft den gesamten Maschinenumfang in umgekehrter Richtung. Alle vier Wechsel¬ leiter 54, 57, 60, 63 sind am Ende ihrer Lage mit Nutstäben der Anfangsnut verbunden, wobei die letzte Lage (114,115), anstatt mit einem Wechselleiter direkt im zweiten Anschlußleiter 66 endet. Während die Anzahl der unterschiedlichen Leiterelementbauformen durch die beiden Wechselsektoren in der Verbindungsleiterstegschicht 67 auf elf ansteigt (5V+4W+2A) weist die Einheitenstegschicht 68 nur fünf unterschiedliche Bauformen auf.

In den Figuren 6, 7 und 8 wird der Aufbau eines ringförmigen Leiteraufbaus am Beispiel einer vierphasigen, zwölfpoligen Maschine mit' halbierten Verbindungsköpfen und u-förmigen Sektoren dargestellt, wobei ein Leiterverlauf mit versetzten Lagen für z _N = 3 gewählt wurde.

Figur 6 zeigt die Stirnseitenansichten der beiden Stegschichten 81, 82 des Leiterstranges 70. Die rechts oben abgebildete Einheitenstegschicht 81 gehört zur inneren Hälfte des hinteren Verbindungskopfes und ist etwas kleiner dargestellt. Sie weist keine Wechselsektoren auf und besteht vorteilhaft aus drei Einheitenbauformen 72, 75, 78. Im Vordergrund unten links ist die zugehörige Verbindungsleiterstegschicht 82 dargestellt. Diese besteht neben drei Verbindungs- leiterbauformen 73, 76, 79 in den obersten beiden Sektoren aus zwei Wechselleitern 74, 77 sowie zwei Anschlußleitern 71, 80. Insgesamt besteht der Leiterstrang somit aus zehn unter¬ schiedlichen Leiterbauformen (3E+3V+2W+2A). Leiterelemente der gleichen Lage sind im gleichen Winkel schraffiert.

Figur 7 zeigt wie die Stegschicht 81 der inneren Verbindungskopfhälfte aus den drei Ein¬ heitenbauformen 72, 75 und 78 zusammengesetzt wird. Es wird deutlich wie beim Ineinander¬ schieben der Leiterteile ein selbsttragendes, stabiles Paket 85 entsteht, das zusammen mit der zur gleichen Verbindungskopfhälfte gehörenden zweite Einheitenstegschicht den folgenden Montageprozeß in den weichmagnetischen Körper vereinfacht. Stecken die Einheiten spielfrei in den Nuten kann auf eine zusätzliche Fixierung z.B. durch Klebeschichten verzichtet werden.

Im oberen Teil von Figur 8 wird die zur Einheitenstegschicht aus Fig. 7 gehörende Ver¬ bindungsleiterstegschicht bereits zu einem kompakten Paket 86 zusammengeschoben dargestellt. Darunter befinden sich die Leiterelemente der zweitäußersten Stegschicht axial versetzt

angeordnet, wobei die Leiterelemente einer Lage in einer axialen Ebene liegend dargestellt sind. Neben dem Prozeß des Zusammenschiebens wird ersichtlich, daß alle Leiterelemente der äußeren Verbindungskopfhälfte zusammen eine kompakte ringförmige Scheibe bilden. Nach dem Enschieben der Einheitenpakete 85 in den weichmagnetischen Körper, werden diese Scheiben axial auf deren Enden gepreßt. Alle Verbindungen sind von außen zugänglich und können z.B. mit einem Laser- oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen werden, wodurch der Innenwiderstand des entstandenen Leiterstranges sehr geringe Werte aufweist. Bei zu hohen Widerstandswerten ist ein Nachbessern durch wiederholtes, gezieltes Aufschmelzen und/oder lokales Aufbringen von Leitermaterial möglich. Die Aussparungen für die Nutstabenden sind nicht dargestellt. In den beiden Stegschichten sind die drei Bauformen der Verbindungsleiter 73, 76, 79 und die beiden Anschlußleiter 121, 130 aufgrund der symmetrischen Enden gleich, während sich die Wechselleiter 134, 135 unterscheiden. Unabhängig von der Polpaarzahl benötigt der gesamte Leiteraufbau fünfzehn Leiterelementbauformen (6E+3V+4W+2A).