WELLENWICKLUNG MIT NIEDRIGER RASTMOMENT, STATOR UND ELEKTRISCHE MASCHINE MIT DERARTIGER WELLENWICKLUNG

Die Erfindung betrifft eine Wellenwicklung für einen Stator einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Stator einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine.

Stand der Technik

Aus der Druckschrift DE 103 21 956 A1 sind Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen für eine elektrische Maschine bekannt, die einen Stator mit mehreren zum Teil geschlossenen Statorschlitzen aufweist. Um die Herstellung zu vereinfachen und das Schlitzfüllverhältnis von Wicklungen hoch zu halten, werden vorgeformte rechtwinklige Drähte mit geraden Leitersegmenten geschaffen, die in den Statorschlitzen angeordnet werden. Zur Herstellung der Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln wird zunächst der

rechtwinklige Kupferdraht in Elemente geschnitten. Dabei gibt es auch zwei Elemente mit kürzeren Wickelschritten (ein Schlitz kürzer, verglichen mit den anderen) pro Phase pro

Wicklungssatz, falls die Wicklungen in Wellenwicklungen verbunden werden. Je nach den Wickelschrittanforderungen werden die rechtwinkeligen Drähte in U-Formen gebogen und dadurch die Kupferhaarnadeln hergestellt. Mit "Kupferhaarnadeln" sind sogenannte "Hairpin- Wicklungen" bezeichnet. Hierbei werden kurze Windungsstücke auf der einen Seite des Stators durch Schweißen verbunden und so eine durchgängige Wicklung erzeugt. Es handelt sich quasi um eine gebaute und nicht wenigstens zum Teil durchgehend gewickelte Wellenwicklung.

Die Druckschrift JP 8-182238 A zeigt eine dreiphasige Wellenwicklung mit drei

Wicklungspaketen bzw. -strängen für eine elektrische Maschine. In einem sogenannten

"verdrehten Abschnitt" sind Wickelköpfe der Wicklungspakete bzw. -stränge jeder in sich verdreht, aber mit unverändertem Wickelschritt geführt.

Aus der US 5 898 251 A ist ein Verfahren zum Herstellen einer Schleifenwicklung für eine dynamoelektrische Maschine bekannt. In einer konzentrisch gewickelten Zweischicht- Ankerwicklung für die dynamoelektrische Maschine ist die Anzahl der Nuten je Phase und Pol mit q angenommen. Die Ankerwicklung umfasst eine Wicklung, die einem Pol entspricht und die eine Mehrzahl von Spulen mit voneinander verschiedenen Wicklungsschritten enthält. Die Spulen enthalten wenigstens eine Spule, deren Windungszahl sich von denjenigen der anderen Spulen unterscheidet. Die Anzahl q der Nuten je Phase und Pol beträgt wenigstens q=3. Die Anzahl der Spulen in einer Wicklung ist auf (q-n) festgesetzt, wobei die Zahl n die Werte n=1 , 2, ... q-2 annimmt. Die Spulen sind in den Nuten derart verteilt, dass eine konzentrisch gewickelte Zweischichtwicklung mit einer sinusförmigen Verteilung der magnetischen Kraft gebildet wird. In einer weiteren Anordnung ist die Anzahl der Polwicklungen je Phase halb so groß wie die Anzahl der Pole in einer konzentrisch gewickelten Zweischichtwicklung oder einer Schleifenwicklung. Die Anzahl der Spulen in einer der Polwicklungen wird auf (2x(q-n)) festgesetzt.

Um mit einer elektrischen Maschine bestimmte Anforderungen an Drehmoment und Leistung zu erfüllen, ist es notwendig, die Maschine bei einer vorgegebenen Baulänge mit einer daran angepassten Windungszahl auszubilden. Ist die Maschine insbesondere mit einer

Wellenwicklung ausgeführt, bestimmt sich deren Windungszahl aus einer Anzahl innerhalb einer Nut, z.B. einer Statornut, d.h. eines Statorschlitzes, der Maschine geführter

Leiterabschnitte sowie einer Anzahl in der Wellenwicklung in Parallelschaltung verbundener Leiter nach der Formel: w = p ^* q ^* zn/a wobei

w die effektive Windungszahl der Maschine,

zn die Anzahl der Leiter pro Nut,

a die Anzahl der in der Wellenwicklung in Parallelschaltung verbundenen Leiter, p die Polpaarzahl und

q die Lochzahl der Maschine

ist. Der Begriff Lochzahl beschreibt die Anzahl der Nuten, z.B. der Statornuten, der Maschine je magnetischem Pol und Phase. Somit ist s = 2 ^* p ^* q ^* r wobei

s die Gesamtzahl der Statornuten des Stators und r die Anzahl der Phasen, d.h. die Phasenzahl, der Maschine

ist. In einem Beispiel besitzt ein Stator mit insgesamt 96 Nuten, drei Phasen und 16 Polen, also 8 Polpaaren, eine Lochzahl q=2. Der Begriff Loch ist damit auch synonym zu Nut bzw.

Statornut.

Die Anzahl innerhalb einer Nut geführter Leiterabschnitte ist bei vorgegebenem Querschnitt der Nut umgekehrt proportional zum Leiterquerschnitt der Leiterabschnitte. Ein großer

Leiterquerschnitt führt jedoch bei hohen Frequenzen der ihn durchfließenden Ströme, d.h.

hohen Drehzahlen der Maschine, aufgrund der Stromverdrängung im Leiter im Betrieb zu erhöhten frequenzabhängigen Verlusten.

Sind z.B. 60 Windungen herzustellen, ergibt sich mit z.B. p=10, q=2 und a=1 : zn=3, d.h. es sind drei Leiter in eine Nut einzulegen. Dadurch werden der Querschnitt eines einzelnen Leiters und die frequenzabhängigen Verluste groß. Zwar könnte in diesem Beispiel mit q=1 die Anzahl der Leiter pro Nut auf zn=6 verdoppelt und der Querschnitt der Leiter somit halbiert werden. Die Wahl der Lochzahl auf q=1 hat aber den Nachteil, dass in der Maschine auftretende Oberwellen nicht unterdrückt werden, wodurch erhöhte Verluste und akustische Auffälligkeiten, d.h.

vermehrte Betriebsgeräusche, auftreten und dazu die Drehmomentenwelligkeit steigt, die ebenfalls zu akustischen Beeinträchtigungen führen kann.

Mit einer Festlegung der Konstruktion der Maschine auf a=1 wird der Gestaltungsspielraum zum Bilden einer gewünschten Windungszahl eingeschränkt. Die Variabilität der Maschine wird verringert, u.a. wird die Auswahl möglicher Gestaltungen der Leiter eingeschränkt. Die

Anforderungen an Drehmoment und Leistung der Maschine können insbesondere im Bereich hoher Drehzahlen aufgrund der mit den großen Querschnitten der Leiter einhergehenden frequenzabhängigen Verluste nicht erfüllt werden. Damit ist es erforderlich, sowohl die Lochzahl q als auch die Anzahl a der in der Wellenwicklung in Parallelschaltung verbundenen Leiter größer als 1 zu wählen.

Bei einer Maschine mit einer Wellenwicklung, in der mehrere Leiter in Parallelschaltung zu einer Phase miteinander verbunden sind, treten im Betrieb in den Leitern der Parallelschaltung Ausgleichsströme auf, wenn in den parallelen Leitern einer Phase voneinander abweichende Spannungen induziert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die parallelen Leiter bei einer Lochzahl q größer als 1 zu jedem Pol auf wenigstens zwei benachbarte Nuten verteilt angeordnet sind. Die Ausgleichsströme führen ebenfalls zu Verlusten.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile

Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einer Maschine der vorbeschriebenen Art durch Vermeiden der Verluste insbesondere beim Betrieb im oberen Drehzahlbereich Leistung und Wirkungsgrad zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wellenwicklung für einen Stator einer elektrischen Maschine, ausgebildet zum Anordnen in einer Folge von entlang eines Umfangs der Maschine angeordneten Statornuten, wobei die Wellenwicklung zu je einer Phase der Maschine wenigstens zwei untereinander in Parallel- und/oder Reihenschaltung verbundene Leiter aufweist, die mit vorgegebenem Wickelschritt in einer zu jeder Phase und zu je einem

magnetischen Pol entlang des Umfangs der Maschine vorgegebenen Reihenfolge in einer Anzahl wenigstens zweier aufeinanderfolgender Statornuten jedes magnetischen Pols und jeder Phase der Maschine anordbar sind, und wobei die vorgegebene Reihenfolge wenigstens der untereinander in Parallelschaltung verbundenen Leiter an wenigstens einer Position entlang des Umfangs der Maschine durch wenigstens einen Nutsprung vertauscht ist.

Die Statornuten, in die die erfindungsgemäß ausgebildete Wellenwicklung einsetzbar ist, sind dabei in üblicher Weise wenigstens weitgehend in axialer Richtung der Maschine, d.h. quer zu deren Umfangsrichtung, ausgerichtet und bevorzugt gleichmäßig und damit drehsymmetrisch am Umfang der Maschine verteilt. Obgleich die Darstellung der Erfindung von einer rotierenden Maschine ausgeht, ist die Erfindung ebenfalls auf Linearmaschinen anwendbar, wobei die beschriebene Anordnung dann in abgewickelter Gestaltung ausgebildet ist. Dies ist von der nachfolgenden Wiedergabe der Erfindung stets implizit umfasst. In gleicher weise geht die Darstellung der Erfindung von einer Anordnung der Wellenwicklung im Stator der Maschine aus. Jedoch kann eine Anordnung in entsprechender Weise auch in einem Rotor einer Maschine vorgenommen sein. Auch dies ist von der nachfolgenden Wiedergabe der Erfindung stets implizit umfasst.

Für die Verbindung der Leiter in Parallel- und/oder Reihenschaltung sind erfindungsgemäß unterschiedliche Möglichkeiten vorgesehen. Sind z.B. zu je einer Phase der Maschine zwei Leiter vorgesehen, können diese wahlweise in Reihen- oder in Parallelschaltung miteinander verbunden sein. Sind z.B. zu je einer Phase der Maschine vier Leiter vorhanden, können diese unterschiedlich miteinander verbunden sein. So können alle vier Leiter parallel zueinander verbunden sein. Weiter können jeweils zwei Leiter parallel zueinander und die beiden aus je zwei Leitern bestehenden Parallelschaltungen in Reihe zueinander verbunden sein. Außerdem ist es möglich, alle vier Leiter miteinander in Reihenschaltung zu verbinden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung anwendbar auf den Fall, dass alle Leiter einer Phase parallel zueinander verbunden sind.

Die Anzahl der Statornuten jedes magnetischen Pols und jeder Phase der Maschine ist als deren Lochzahl q definiert. Die erfindungsgemäße Wellenwicklung ist für einen Stator bzw. eine Maschine ausgebildet, bei der die Lochzahl q mindestens 2 beträgt. Die Statornuten zu je einem der magnetischen Pole und je einer der Phasen der Maschine sind entlang des Umfangs der Maschine unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet. Auf diese Statornuten sind die Leiter einer Phase in einer bestimmten Reihenfolge verteilt, z.B. ist ein erster dieser Leiter in einer ersten dieser Statornuten angeordnet, ein zweiter dieser Leiter ist in einer zweiten dieser Statornuten angeordnet, usw. Sind mehr in Parallelschaltung verbundene Leiter a vorhanden als Statornuten q zu einem Pol und einer Phase, gilt hier insbesondere a = N ^* q wobei

N eine positive, ganze Zahl größer als 1 , d.h. N = 2, 3, ...

ist, ist die Belegung der aufeinanderfolgenden Statornuten je Pol und Phase durch die Leiter z.B. mit a=4 und q=2, d.h. N=2, wie folgt gegeben: Ein erster der Leiter ist in der ersten der Statornuten angeordnet, ein zweiter der Leiter ist in der zweiten der Statornuten angeordnet, ein dritter der Leiter ist in der ersten der Statornuten angeordnet, und ein vierter der Leiter ist in der zweiten der Statornuten angeordnet.

Die Leiter der Wellenwicklung sind mit einem vorgegebenen Wickelschritt gewickelt, d.h. den Statornuten zugeordnet bzw. auf die Statornuten verteilt. Als Wickelschritt ist ein Abstand zweier aufeinanderfolgend durch die Statornuten geführter Abschnitte je eines der Leiter bezeichnet. Dabei wird der Wickelschritt umschrieben wahlweise durch die Nummern aufeinanderfolgend durchnummerierter Statornuten oder durch die um eins erhöhte Anzahl der beim Wickeln übersprungenen Statornuten. Anders formuliert ist der Wickelschritt die Anzahl der Statornuten, um die beim Wickeln bis zu einer Belegung einer Statornut mit demselben Leiter weitergezählt werden muss. Ein Wickelschritt von z.B. 1 :7 oder 6 bei einem Leiter bedeutet, dass von dem Leiter in einer Folge fortlaufend zählender Statornuten eine erste und darauf folgend eine siebte, eine dreizehnte, usw. Statornut belegt ist, d.h. jede sechste

Statornut.

Das erfindungsgemäße Vertauschen der vorgegebenen Reihenfolge wenigstens der untereinander in Parallelschaltung verbundenen Leiter an wenigstens einer Position entlang des Umfangs der Maschine durch wenigstens einen Nutsprung, d.h. das erfindungsgemäße

Vertauschen der Reihenfolge der Belegung der Statornuten durch die Leiter, erfolgt nun durch Ändern des Wickelschritts der Leiter. Für wenigstens einen der Leiter wird dabei der

Wickelschritt um eine vorgegebene Anzahl von Statornuten, d.h. Nutenabstände bzw. Abstände je zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Statornuten, erhöht, und für wenigstens einen weiteren der Leiter wird der Wickelschritt an derselben Stelle entlang des Umfangs der

Maschine um dieselbe vorgegebene Anzahl von Statornuten verringert. Dieses Vertauschen der Belegung der Statornuten durch die Leiter wird als Nutsprung bezeichnet. Ein derartiges Vertauschen bedeutet z.B., dass vor dem Nutsprung ein erster der Leiter in einer ersten der Statornuten je Pol und Phase und ein zweiter der Leiter in einer zweiten der Statornuten je Pol und Phase angeordnet ist, wohingegen hinter dem Nutsprung der erste der Leiter in der zweiten der Statornuten und der zweite der Leiter in der ersten der Statornuten angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Wellenwicklung ist der Wickelschritt der Leiter entlang des gesamten Umfangs der Maschine übereinstimmend, d.h. gleichförmig, vorgegeben und weicht nur dort ab, wo die vorbeschriebene Reihenfolge der Belegung der Statornuten mit den einzelnen Leitern durch den Nutsprung vertauscht ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die beschriebenen Ausgleichsströme vermieden werden, wenn in allen in Parallelschaltung miteinander verbundenen Leitern einer Phase miteinander übereinstimmende Spannungen induziert werden. Dies ist dann der Fall, wenn alle in Parallelschaltung miteinander verbundenen Leiter einer Phase von einem in Summe gleichen magnetischen Fluss durchsetzt werden. Sind die Leiter einer Phase dagegen alle mit durchgängig gleichförmigem Wickelschritt angeordnet, sind die von ihnen gebildeten Teile einer Wicklung insgesamt entlang des Umfangs der Maschine gegeneinander

winkelversetzt und dadurch von einem entsprechend dessen Variation entlang des Umfangs der Maschine abweichenden magnetischen Fluss durchsetzt. Es werden daher unterschiedliche Spannungen induziert.

Die Erfindung ermöglicht auf einfache Weise, eine Wellenwicklung für eine elektrische

Maschine zu schaffen, die einen Betrieb der Maschine mit hoher Leistung und erhöhtem Wirkungsgrad auch bei hohen Drehzahlen erlaubt. Insbesondere werden Verluste durch Ausgleichsströme vermieden und wird eine maßgebliche Verringerung durch

frequenzabhängige Stromverdrängungseffekte verursachter elektrischer Verlustleistungen erzielt sowie ein kompakter und einfacher Aufbau der Maschine erhalten. Die Erfindung eröffnet dabei eine deutlich erhöhte Anzahl von Möglichkeiten für die Gestaltung und Dimensionierung einer derartigen Maschine, insbesondere dadurch, dass die Ausbildung einer derartigen Maschine mit einer Lochzahl q von zwei und größer ermöglicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenwicklung ist die wenigstens eine Position des wenigstens einen Nutsprungs wenigstens nahezu gleichmäßig über eine gesamte Erstreckung der Leiter verteilt angeordnet. Die gesamte Erstreckung, d.h. Gesamtlänge, der Leiter und bevorzugt jedes der Leiter wird dabei durch den Nutsprung in wenigstens nahezu, vorzugsweise exakt gleich lange Abschnitte unterteilt. Vorteilhaft können auch mehrere Nutsprünge vorgesehen sein. Dabei sind die durch einen oder mehrere

Nutsprünge unterteilten Abschnitte der einzelnen Leiter, in denen die Belegung der Statornuten durch die Leiter in jeweils unterschiedlicher Reihenfolge vorgesehen ist, stets derart

dimensioniert, dass für jeden Leiter die Anzahl der Abschnitte mit einer ersten Reihenfolge der Belegung der Statornuten gleich der Anzahl der Abschnitte mit einer zweiten Reihenfolge der Belegung der Statornuten ist. Je nach Anzahl der Nutsprünge kann dazu auch eine

Ungleichverteilung der Nutsprünge möglich oder vorteilhaft sein. Je nach Anzahl a der in der Wellenwicklung in Parallelschaltung verbundenen Leiter und Lochzahl q der Maschine können mehr als zwei Möglichkeiten für die Reihenfolge der Belegung der Statornuten gegeben sein, die weitere Variationen der Verteilung der Nutsprünge erlauben oder vorteilhaft sein lassen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenwicklung sind wenigstens zwei an wenigstens einer Position des wenigstens einen Nutsprungs aneinander anschließende Abschnitte wenigstens eines der Leiter durch wenigstens ein Kontaktmittel miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist wenigstens einer der Leiter an der Position wenigstens eines Nutsprungs fertigungsseitig unterbrochen und eine Verbindung durch eine elektrische Kontaktstelle vorgenommen. Dies ermöglicht eine gleichförmige und gleichartige und damit vereinfachte Herstellung der Abschnitte der Leiter. Erst nach deren Herstellung werden die Abschnitte in der erfindungsgemäßen Weise, d.h. unter Ausführen des gewünschten Nutsprungs bzw. der gewünschten Nutsprünge, miteinander elektrisch leitend verbunden, z.B. durch Verschweißen, Verlöten, Verklemmen oder dergleichen. In einem bevorzugten Beispiel kann ein betreffender Leiter durchgängig mit demselben, d.h.

gleichbleibendem Wickelschritt gewickelt, an der Position des Nutsprungs bzw. den Positionen der Nutsprünge aufgetrennt und vertauscht wieder verbunden werden. Durch diese Gestaltung wird das Wickeln vereinfacht, jedoch verursachen die Kontaktstellen einen gewissen

Mehraufwand in der Fertigung und Platzbedarf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenwicklung sind wenigstens zwei an wenigstens einer Position des wenigstens einen Nutsprungs aneinander anschließende Abschnitte wenigstens eines der Leiter einstückig durchgehend ausgebildet. Die Abschnitte sind einstückig unter Ausführung des Nutsprungs gewickelt und bestehen aus einem durchgehend verlaufenden Leitergebilde, d.h. verlaufen kontinuierlich über den Nutsprung hinweg ohne Zwischenschaltung eines gesonderten Kontaktmittels. Wird gemäß dieser Ausführungsform durchgängig mit Änderungen im Wickelschritt bei jedem Nutsprung unter Vermeidung dortiger Kontaktstellen gewickelt, gestaltet sich zwar das Wickeln etwas aufwendiger als ein Wickeln mit gleichförmigem Wickelschritt ohne Nutsprung, jedoch ist die kontaktstellenfreie Wicklung robuster und weniger anfällig gegen Fertigungsfehler,

insbesondere Kontaktfehler, und ermöglicht einen kompakteren Aufbau der Wicklung, da die Leiter an den Positionen der Nutsprünge durch den Wegfall gesonderter Kontaktstellen einen verringerten Platzbedarf haben. Besonders bevorzugt sind alle oder wenigstens nahezu alle Nutsprünge gemäß dieser Ausführungsform ausgebildet. Damit lässt sich der

Verschaltungsaufwand der Wicklung reduzieren. Auch lässt sich insgesamt gesehen der Fertigungsgang vereinfachen und damit der Aufwand für benötigte Fertigungsmittel durch Wegfall eines Sortierens, Verschweißens und Isolierens, z.B. durch Vergießen, verringern. Demgegenüber fällt ein Mehraufwand für das Wickeln mit Berücksichtigung von Nutsprüngen nicht nennenswert ins Gewicht. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wellenwicklung ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung für einen Einsatz in einer Drehfeldmaschine,

insbesondere in einer dreiphasigen Drehfeldmaschine. Hier ermöglicht die Erfindung ganz besonders vorteilhaft eine Erhöhung der Leistung, des Drehmoments und des Wirkungsgrads insbesondere im oberen Drehzahlbereich und damit insbesondere eine Leistungssteigerung bei Nutzung einer derartigen Drehfeldmaschine in einem Fahrzeugantrieb, bevorzugt einem Hilfsoder Traktionsantrieb eines Verbrennungs-, Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, wie auch in elektrischen Maschinen für andere Einsatzzwecke.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenwicklung beträgt die Anzahl der Leiter zu jeder der Phasen der Maschine ein ganzzahliges Vielfaches, insbesondere das wenigstens Zweifache, einer Lochzahl der Maschine. Wie bereits vorstehend erwähnt, ist die mit q bezeichnete Lochzahl die Zahl der Statornuten zu einem Pol und einer Phase, und mit der Anzahl a der in Parallelschaltung verbundenen Leiter gilt demnach mit N = 2, 3, usw.:

a = N ^* q

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wellenwicklung ist dabei

gekennzeichnet durch zwei oder vier oder acht miteinander in Parallelschaltung verbundene Leiter zu jeder der Phasen der Maschine, d.h. a=2 oder a=4 oder a=8. Es zeigt sich, dass dies eine besonders günstige, d.h. für z.B. Traktionsantriebe von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen besonders voreilhaft angepasste, einfache und wirtschaftliche Dimensionierung der

Wellenwicklung ermöglicht. Insbesondere wird bei einem Durchwickeln der Leiter mit a=8 eine größere Anzahl paralleler Leiter zu jeder der Phasen der Maschine eingesetzt, ohne die Leiter zwischendrin auftrennen und neu verbinden zu müssen; d.h. die Leiter lassen sich einstückig durchgehend ausbilden. Dadurch werden in höherem Maße solche Trenn- bzw.

Verbindungsstellen vermieden. Die Lage der Leiter innerhalb der Statornuten kann dabei ebenfalls wenigstens nahezu symmetrisch gehalten werden. Die Wahlmöglichkeit, die Phasen der Maschine mit unterschiedlichen Anzahlen miteinander in Parallelschaltung verbundener Leiter auszubilden, insbesondere die Phasen der Maschine wahlweise mit je zwei, vier oder acht Leitern auszubilden, schafft eine größere Variabilität der Wicklungsauslegung der

Maschine mit Wellenwicklung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenwicklung ist wenigstens einer der Leiter mit einem wenigstens nahezu rechteckformigen Leiterquerschnitt ausgebildet. Damit wird ein besonders hoher Nutfüllfaktor erzielt, d.h. ein besonders hohes Verhältnis der Summe der Leiterquerschnitte in je einer Statornut anordbarer Leiter zur

Gesamtquerschnittsfläche der Statornut. Dies ermöglicht eine hohe Leistungsdichte in der elektrischen Maschine und damit eine weitere Leistungssteigerung sowie kompaktere Bauform.

Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Drehfeldmaschine, gekennzeichnet durch eine Wellenwicklung der vorbeschriebenen Art.

Ein derart ausgebildeter Stator ist auf fertigungstechnisch vereinfachte Weise kompakter, robuster und einfacher aufgebaut. Bei Ausbildung mit an den Positionen der Nutsprünge durchgängiger Wicklung ist ein derartig ausgestalteter Stator zudem besonders platzsparend und funktionssicher aufgebaut.

Die oben genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere eine Drehfeldmaschine, gekennzeichnet durch eine Wellenwicklung der vorbeschriebenen Art und/oder einen Stator der vorbeschriebenen Art.

Die erfindungsgemäße Maschine ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrads sowie der abgebbaren Leistung insbesondere im oberen Drehzahlbereich, ist dabei besonders kompakt und robust und weist eine verringerte Fehleranfälligkeit auf.

Mit anderen Worten wird insgesamt erfindungsgemäß eine Wellenwicklung für einen eine Anzahl von Phasen aufweisenden Stators eines Elektromotors bzw. Elektrogenerators geschaffen, die für jede Phase zumindest zwei Leiter, auch als Wicklungsdrähte bezeichnet, aufweist, welche durch entsprechende Statornuten geführt sind. Bevorzugt sind die Leiter unterbrechungsfrei ausgeführt. Die Leiter weisen in einer bevorzugten Ausführungsform nach einer halben Wicklung, d.h. in der Mitte ihrer gesamten Erstreckung, in der zugehörigen

Statornut aufgrund einer gekreuzten Leitungsführung getauschte Positionen auf, wodurch auf einfache Weise und vorzugsweise unter Vermeidung gesonderter Kontaktverbindungen, z.B. Schweißverbindungen, unerwünschte Induktionsspannungen der Leiter verhindert werden können. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Es zeigen:

Figur 1 eine grob schematische Darstellung eines Wickelschemas eines

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wellenwicklung,

Figur 2 einen Schaltplan zur Darstellung der Verbindung der Leiter der Wellenwicklung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 ,

Figur 3 eine schematische Darstellung zeitlicher Verläufe unterschiedlicher, in in

zueinander benachbarten Statornuten angeordneten Leitern einer Phase einer ohne Nutsprung ausgeführten Wellenwicklung induzierter Spannungen,

Figur 4 eine schematische Darstellung einer Wellenwicklung mit einem Wickelschema des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 ,

Figur 5 eine schematische, perspektivische Darstellung zweier Leiter der Wellenwicklung nach Figur 4 an der Position eines Nutsprungs,

Figur 6 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figuren 4 und 5,

Figur 7 eine grob schematische Darstellung eines Wickelschemas eines zweiten

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wellenwicklung als Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 und

Figur 8 einen Schaltplan zur Darstellung der Verbindung der Leiter der Wellenwicklung des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 7. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer Folge von Statornuten einer elektrischen Maschine der Einfachheit in einer Abwicklung grob schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt. Die Statornuten sind entlang eines Umfangs der Maschine angeordnet, mit dem Bezugszeichen 1 10 bezeichnet und in ihrer Folge beispielhaft mit 1 , 2, ... durchnummeriert. In den Statornuten 1 10 sind Leiter einer Wellenwicklung 100 angeordnet. Diese Leiter sind je Phase der Maschine zu viert parallel miteinander verbunden. Der Übersichtlichkeit sind nur die Leiter einer der Phasen und von diesen auch nur je eine Lage in jeder der dargestellten Statornuten wiedergegeben und mit A, B, C und D bezeichnet. Bevorzugt sind die Leiter A, B, C, D mit rechteckförmigem Leiterquerschnitt ausgebildet, so dass ein hoher Nutfüllfaktor erzielt wird. Die parallel miteinander elektrisch verbundenen Leiter A, B, C, D sind mit vorgegebenem

Wickelschritt in einer zu jeder Phase und zu je einem magnetischen Pol entlang des Umfangs der Maschine vorgegebenen Reihenfolge in einer Anzahl wenigstens zweier

aufeinanderfolgender Statornuten 1 10 jedes magnetischen Pols und jeder Phase der Maschine anordbar und der Deutlichkeit halber in Figur 1 auch in diesen Statornuten 1 10 angeordnet dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist die Anzahl aufeinanderfolgender

Statornuten 1 10 je eines magnetischen Pols und je einer Phase der Maschine gleich 2, d.h. die vier parallel miteinander elektrisch verbundenen Leiter A, B, C, D sind auf je Pol und Phase zwei entlang des Umfangs der Maschine aufeinanderfolgende Statornuten 1 10 verteilt angeordnet. Diese Anordnung erfolgt in einer vorgegebenen Reihenfolge derart, dass in der ersten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 1 10 die Leiter A und B und in der zweiten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 1 10 die Leiter C und D angeordnet sind. Die Wellenwicklung 100 und damit die Maschine des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dreiphasig ausgebildet. Damit sind die Leiter A, B, C, D durch jede sechste Statornut 1 10 geführt, d.h. mit einem Wickelschritt 6 bzw. 1 :7. Dieser Wickelschritt ist in Figur 1 mit einem Pfeil 120 bezeichnet. Es ergibt sich somit eine Belegung der Statornuten 1 10 mit den Nummern 1 und 7 durch die Leiter A, B und eine Belegung der Statornuten 1 10 mit den Nummern 2 und 8 durch die Leiter C, D. Ohne einen nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Nutsprung ergäbe sich weiterhin auch eine Belegung der weiteren Statornuten 1 10 mit den Nummern 13, 19, ... durch die Leiter A, B und eine Belegung der Statornuten 1 10 mit den Nummern 14, 20, ... durch die Leiter C, D, d.h. entlang des gesamten Umfangs der elektrischen Maschine und damit entlang der gesamten Erstreckung der Wellenwicklung 100. Erfindungsgemäß ist jedoch diese vorgegebene Reihenfolge der Leiter A, B, C, D an einer Position entlang des Umfangs der Maschine durch einen Nutsprung vertauscht. Dieser Nutsprung ist in Figur 1 derart ausgebildet, dass die Leiter A, B von der Statornut 1 10 mit der Nummer 7 zur Statornut 1 10 mit der Nummer 14 und durch diese geführt sind, wohingegen die Leiter C, D von der Statornut 1 10 mit der Nummer 8 zur Statornut 1 10 mit der Nummer 13 und durch diese geführt sind. Damit ist für die Leiter A, B an dieser Position des Nutsprungs ein um 1 vergrößerter Wickelschritt von 7 bzw. 1 :8, für die Leiter C, D, dagegen ein um 1 verringerter Wickelschritt von 5 bzw. 1 :6 vorgenommen. Diese abgewandelten Wickelschritte sind in Figur 1 mit einem Pfeil 121 bezeichnet. Als Folge davon ist die vorgegebene Reihenfolge der Leiter A, B, C, D je magnetischem Pol und Phase derart vertauscht, dass von dieser Position an in der ersten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 1 10 mit der Nummer 13 die Leiter C und D und in der zweiten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 1 10 mit der Nummer 14 die Leiter A und B angeordnet sind. Da von dieser Position an der Wickelschritt wieder für alle Leiter A,B, C, D übereinstimmend 6 bzw. 1 :7 beträgt, bezeichnet mit einem Pfeil 122, bleibt diese vertauschte Reihenfolge auch für die Statornuten 1 10 mit den Nummern 19, 20, ...

erhalten.

Figur 2 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild der in Parallelschaltung miteinander verbundenen Leiter A, B, C, D einer Phase der Wellenwicklung 100.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung zeitlicher Verläufe unterschiedlicher, in in zueinander benachbarten Statornuten 1 10 angeordneten Leitern A, B, C, D einer Phase einer ohne Nutsprung ausgeführten Wellenwicklung induzierter Spannungen u. Dabei ist mit UAB eine in den Leitern A und B und mit UCD eine in den Leitern C und D induzierte Spannung bezeichnet. Mit t ist die Zeit bezeichnet. Die induzierten Spannungen UAB und UCD setzen sich additiv zusammen aus einzelnen Spannungen, die in je einem Abschnitt der Leiter A, B, C, D in je einer der Statornuten 1 10 induziert werden, und sind zeitlich gegeneinander entsprechend einer Bewegungsgeschwindigkeit der Maschine entlang des Umfangs, d.h. einer

Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehgeschwindigkeit, und eines Abstands der Statornuten 1 10 entlang des Umfangs zeitlich gegeneinander verschoben. Dadurch tritt eine Differenz- Wechselspannung zwischen den Enden der Leiter A, B einerseits und denen der Leiter C, D andererseits auf, die Ausgleichsströme durch die Leiter A, B, C,D hervorruft. Diese führen zu Verlusten und zur Verringerung des Wirkungsgrades der Maschine. Durch die Erfindung wird die eine Hälfte dieser einzelnen Spannungen, die in je einem Abschnitt der Leiter A, B in je einer der Statornuten 1 10 induziert werden, in ihrer zeitlichen Reihenfolge, d.h. Verschiebung, gegenüber einer Hälfte der einzelnen Spannungen, die in je einem Abschnitt der Leiter C, D in je einer der Statornuten 1 10 induziert werden, vertauscht. In der Summe aller dieser einzelnen Spannungen heben sich damit die zeitlichen Verschiebungen gegenseitig auf und die zeitlichen Verläufe der Spannungen UAB und UCD stimmen überein. Damit treten keine

Ausgleichsströme mehr auf.

In Figur 4 ist eine schematische Darstellung der Wellenwicklung 100 mit einem Wickelschema des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 als Abwicklung in einer Draufsicht wiedergegeben. Der Übersichtlichkeit halber sind dabei zu insgesamt drei Phasen je zwei parallele Leiter und von diesen nur je ein Abschnitt je Statornut 1 10, d.h. nur je eine Wicklungslage, dargestellt, die den Leitern A und C aus Figur 1 entsprechen und für die drei Phasen demgemäß mit A1 , A2, A3 bzw. C1 , C2, C3 bezeichnet sind. Dasselbe Wickelschema ergibt sich im Übrigen auch für eine Wicklung mit zwei parallel miteinander elektrisch verbundenen Leitern, die auf je Pol und Phase zwei entlang des Umfangs der Maschine aufeinanderfolgende Statornuten 1 10 verteilt angeordnet sind. Der Wickelschritt 6 bzw. 1 :7, bezeichnet mit den Pfeilen 120 und 122, ist auch hier an der Position des Nutsprungs in 5 bzw. 1 :6 für die Leiter C1 , C2, C3 und 7 bzw. 1 :8 für die Leiter A1 , A2, A3 abgeändert, bezeichnet mit dem Pfeil 121 , wodurch die Reihenfolge der Leiter A1 , C1 bzw. A2, C2 bzw. A3, C3 in der Belegung der Statornuten an der Position des Nutsprungs vertauscht ist.

Figur 5 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung aller Wicklungslagen der Leiter A1 , C1 der Wellenwicklung nach Figur 4 an der Position des Nutsprungs. Dargestellt ist außerdem die Belegung der Statornuten 1 10 durch die Leiter A1 , C1. Die Leiter A1 , C1 sind insgesamt sechsmal um den gesamten Stator der Maschine herumgeführt, so dass jede Statornut mit 6 Abschnitten der Leiter belegt ist. Dargestellt ist hier nur die Belegung der betreffenden Statornuten durch je 6 Abschnitte der Leiter A1 bzw. C1. Ein Nutsprung, angedeutet durch den Pfeil 121 , ist nach dreimaligem Herumführen der Leiter A1 , C1 um den gesamten Stator der Maschine, d.h. auf halber Erstreckung der Leiter A1 , C1 , vorgesehen. Dabei sind die Leiter A1 , C1 durchgängig, d.h. unterbrechungsfrei ohne gesonderte

Kontaktmittel entlang ihrer gesamten Erstreckung, gewickelt. Der Leiter C1 ist mit dem

Wickelschritt 5 bzw. 1 :6 an der Position des Nutsprungs am Wickelkopf in einem Bogen innerhalb eines vom Leiter A1 dort mit dem Wickelschritt 7 bzw. 1 :8 ausgebildeten Bogens geführt. Dadurch wird eine sehr platzsparende Ausbildung des Wickelkopfs auch an der Position des Nutsprungs erhalten. Im Übrigen sind die Leiter A1 , C1 mit dem Wickelschritt 6 bzw. 1 :7 angeordnet und dabei im Bereich des Wickelkopfes mit einer halben Drehung um ihre Längserstreckung umeinander geschlagen, d.h. umgeklappt. Auch dadurch wird eine sehr platzsparende Ausbildung des Wickelkopfs erzielt. Bei dieser Ausbildung der Wellenwicklung 100 sind lediglich Endanschlüsse der Leiter A1 , C1 - und entsprechend in Figur 5 nicht dargestellte Endanschlüsse von Leitern anderer Phasen - aus der Wellenwicklung 100 herausgeführt. Insgesamt ergibt sich dadurch eine kontinuierlich gewickelte Wellenwicklung mit reduziertem Bauraum unter Einsparung von Kontaktstellen.

Figur 6 zeigt in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figuren 4 und 5 einen Ausschnitt aus einer Wellenwicklung 100 mit einer Darstellung aller Leiter an der Position des Nutsprungs. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung der Figuren 4 und 5 sind hier zum Ausbilden der an der Position des Nutsprungs abgeänderten Wickelschritte die Leiter auf der Hälfte ihrer gesamten Erstreckung unterbrochen und ihre durch diese Unterbrechungen gebildeten Enden aus dem Wickelkopf herausgeführt. In der Darstellung der Figur 6 stehen diese herausgeführten Enden an den Unterbrechungen der Leiter einander paarweise gegenüber. Die Vertauschung der Reihenfolge der Belegung der Statornuten 1 10 durch die Leiter ist durch Verbinden der durch diese Unterbrechungen gebildeten Enden der Leiter paarweise über Kreuz vorzunehmen, wie dies durch eine beispielhaft angedeutete und mit dem Bezugszeichen 123 bezeichnete Verbindung symbolisiert ist.

In Figur 7, die in derselben Darstellungsweise wie Figur 1 eine grob schematische Wiedergabe eines Wickelschemas eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen

Wellenwicklung als Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 zeigt, ist ein

Ausschnitt einer Folge von Statornuten einer elektrischen Maschine der Einfachheit in einer Abwicklung grob schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt. Die Statornuten sind entlang eines Umfangs der Maschine angeordnet, mit dem Bezugszeichen 210 bezeichnet und in ihrer Folge beispielhaft mit 1 , 2, ... durchnummeriert. In den Statornuten 210 sind Leiter einer Wellenwicklung 200 angeordnet. Diese Leiter sind je Phase der Maschine zu achten parallel miteinander verbunden. Der Übersichtlichkeit sind nur die Leiter einer der Phasen und von diesen auch nur je eine Lage in jeder der dargestellten Statornuten wiedergegeben und mit A, B, C, D, E, F, G und H bezeichnet. Bevorzugt sind die Leiter A, B, C, D, E, F, G, H mit rechteckformigem Leiterquerschnitt ausgebildet, so dass ein hoher Nutfüllfaktor erzielt wird. Die parallel miteinander elektrisch verbundenen Leiter A, B, C, D, E, F, G, H sind mit vorgegebenem Wickelschritt in einer zu jeder Phase und zu je einem magnetischen Pol entlang des Umfangs der Maschine vorgegebenen Reihenfolge in einer Anzahl wenigstens zweier

aufeinanderfolgender Statornuten 210 jedes magnetischen Pols und jeder Phase der Maschine anordbar und der Deutlichkeit halber in Figur 7 auch in diesen Statornuten 210 angeordnet dargestellt.

Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 7 ist die Anzahl aufeinanderfolgender Statornuten 210 je eines magnetischen Pols und je einer Phase der Maschine gleich 2, d.h. die acht parallel miteinander elektrisch verbundenen Leiter A, B, C, D, E, F, G, H sind auf je Pol und Phase zwei entlang des Umfangs der Maschine aufeinanderfolgende Statornuten 210 verteilt angeordnet. Diese Anordnung erfolgt in einer vorgegebenen Reihenfolge derart, dass in der ersten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 210 die Leiter A, B, C und D und in der zweiten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 210 die Leiter E, F, G und H angeordnet sind. Die Wellenwicklung 200 und damit die Maschine auch des zweiten Ausführungsbeispiels ist dreiphasig ausgebildet. Damit sind die Leiter A, B, C, D, E, F, G, H durch jede sechste Statornut 210 geführt, d.h. mit einem Wickelschritt 6 bzw. 1 :7. Dieser Wickelschritt ist in Figur 7 wieder mit einem Pfeil 120 bezeichnet. Es ergibt sich somit eine Belegung der Statornuten 210 mit den Nummern 1 und 7 durch die Leiter A, B, C, D und eine Belegung der Statornuten 210 mit den Nummern 2 und 8 durch die Leiter E, F, G, H. Ohne einen nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Nutsprung ergäbe sich weiterhin auch eine Belegung der weiteren

Statornuten 210 mit den Nummern 13, 19, ... durch die Leiter A, B, C, D und eine Belegung der Statornuten 210 mit den Nummern 14, 20, ... durch die Leiter E, F, G, H, d.h. entlang des gesamten Umfangs der elektrischen Maschine und damit entlang der gesamten Erstreckung der Wellenwicklung 200.

Erfindungsgemäß ist jedoch auch beim zweiten Ausführungsbeispiel diese vorgegebene Reihenfolge der Leiter A, B, C, D, E, F, G, H an einer Position entlang des Umfangs der Maschine durch einen Nutsprung vertauscht. Dieser Nutsprung ist in Figur 7 derart ausgebildet, dass die Leiter A, B, C, D von der Statornut 210 mit der Nummer 7 zur Statornut 210 mit der Nummer 14 und durch diese geführt sind, wohingegen die Leiter E, F, G, H von der Statornut 210 mit der Nummer 8 zur Statornut 210 mit der Nummer 13 und durch diese geführt sind. Damit ist für die Leiter A, B, C, D an dieser Position des Nutsprungs ein um 1 vergrößerter Wickelschritt von 7 bzw. 1 :8, für die Leiter E, F, G, H dagegen ein um 1 verringerter

Wickelschritt von 5 bzw. 1 :6 vorgenommen. Diese abgewandelten Wickelschritte sind in Figur 7 mit einem Pfeil 121 bezeichnet. Als Folge davon ist die vorgegebene Reihenfolge der Leiter A, B, C, D, E, F, G, H je magnetischem Pol und Phase derart vertauscht, dass von dieser Position an in der ersten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 210 mit der Nummer 13 die Leiter E, F, G, H und in der zweiten der beiden aufeinanderfolgenden Statornuten 210 mit der Nummer 14 die Leiter A, B, C, D angeordnet sind. Da von dieser Position an der Wickelschritt wieder für alle Leiter A,B, C, D, E, F, G, H übereinstimmend 6 bzw. 1 :7 beträgt, bezeichnet mit einem Pfeil 122, bleibt diese vertauschte Reihenfolge auch für die Statornuten 210 mit den Nummern 19, 20, ... erhalten.

Figur 8 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild der in Parallelschaltung miteinander verbundenen Leiter A, B, C, D, E, F, G, H einer Phase der Wellenwicklung 200 des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 7.

Durch die Erfindung wird somit ein neues Schema zum Einbringen der Leiter einer

Wellenwicklung in die Statornuten beschrieben. Dabei wird insbesondere bei der

Ausführungsform nach Figuren 1 und 2 eine sogenannte Matte aus Leitern mit zwei übereinander liegenden Leitern A, B bzw. C, D in die Statornuten 1 10 eingebracht. Bei der Ausführungsform nach Figuren 7 und 8 wird dagegen eine Matte aus Leitern mit vier übereinander liegenden Leitern A, B, C, D bzw. E, F, G, H in die Statornuten 210 eingelegt.

Bezugszeichenliste

100 Wellenwicklung

1 10 Statornuten, durchnummeriert mit 1 , 2, ...

120 Pfeil, bezeichnet Wickelschritt 6 bzw. 1 :7

121 Pfeil, bezeichnet Wickelschritt 7 bzw. 1 :8 für Leiter A, B und 5 bzw. 1 :6 für Leiter C, D

122 Pfeil, bezeichnet Wickelschritt 6 bzw. 1 :7

123 Verbindung von Leitern am Nutsprung

200 Wellenwicklung

210 Statomuten, durchnummeriert mit 1 , 2, ...

A Leiter

B Leiter

C Leiter

D Leiter

E Leiter

F Leiter

G Leiter

H Leiter

A1 Leiter

A2 Leiter

A3 Leiter

C1 Leiter

C2 Leiter

C3 Leiter t Zeit

u Spannung

UAB In Leitern A und B induzierte Spannung

UCD In Leitern C und D induzierte Spannung