Wicklungsträger zur Verwendung in einer elektrischen Maschine

sowie Wicklungsanordnung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen mit Spulenwicklungen, die mithilfe von Wicklungsträgern auf Komponentenzähne aufgebracht werden. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Wicklungsträger zum Aufbringen einer Spulenwicklung, insbesondere in Form von Isolierlamellen.

Stand der Technik

Elektrische Maschinen weisen in der Regel elektromagnetische Komponenten auf, die in Form von Spulenwicklungen ausgebildet sind. Die Spulenwicklungen werden jeweils um einen oder mehrere Zähne eines Stators oder eines Läufers gewickelt, um ein Erregermagnetfeld zu erzeugen. Bei Spulenwicklungen um einen einzelnen Komponentenzahn werden Windungen der Spulenwicklung spiralförmig aufgebracht, wobei die Windungen in mehreren Lagen angeordnet sind. Eine bevorzugte Anordnung der Windungen stellt die sogenannte orthozyklische Wicklung dar. Bei einer orthozyklischen Wicklung liegen die Drähte einer Lage der Spulenwicklung zu mindestens 30% ihres Umfangs in den Tälern zwischen den einzelnen Windungen der darunter liegenden Lage.

Um eine ausreichende Isolation zwischen dem Komponentenzahn und der Spulenwicklung zu gewährleisten, werden häufig Isolierlamellen als Wicklungsträger vorgesehen, die zwischen der Spulenwicklung und dem Komponentenzahn angeordnet werden. Auch kann das Aufbringen der Spulenwicklungen auf die Komponentenzähne der elektrischen Maschine dadurch vereinfacht werden, dass die Wicklungsträger vor dem Aufsetzen auf den Komponentenzahn bewickelt werden, so dass beim Bewickeln Behinderungen durch die Statorgeometrie vermieden werden können.

Um den orthozyklischen Aufbau einer Wicklung beim Spulenwickeln zu begünstigen, werden die Wicklungsträger vorgeprägt. Die Prägestruktur der Prägung weist eine Rillenstruktur auf. Die Rillenstruktur ermöglicht ein definiertes Ablegen der ersten Lage von Windungen der Spulenwicklung, der so genannten Wurzellage. Die Breite der Rillen entspricht in der Regel dem größtmöglichen Durchmesser des eingesetzten Wicklungsdrahts oder ist an diesen angepasst.

Die bisher eingesetzte Rillenstruktur mit halbrundem Querschnitt kann zu Wickelfehlern im Lagenaufbau führen, da sich die einzelnen Windungen innerhalb der Rillenstruktur durch Druck von weiteren darüber angeordneten Wicklungslagen verschieben können, insbesondere wenn die Breite der Rillenstruktur größer ist als der tatsächliche Durchmesser des Wicklungsdrahts. Dies kann vorkommen, da die Breite der Rillenstruktur in der Regel dem maximal auftretenden Durchmesser des Wicklungsdrahtes entspricht, der Wicklungsprozess und die damit einhergehende Krümmung des Wicklungsdrahts sowie die Aufspulung auf die Lieferrollen jedoch zu einer Veränderung, insbesondere zu einer Reduzierung, des tatsächlichen Durchmessers des Wicklungsdrahts führen. Dadurch kann es vorkommen, dass der Wicklungsdraht mit lediglich einem Auflagepunkt in der Rillenstruktur des Wicklungsträgers anliegt, wodurch eine Verschiebung der einzelnen Windungen in Querrichtung (d. h. in axialer Richtung der Spulenwicklung) nicht verhindert werden kann.

Dies kann zum einen zu einem Nachteil beim Wicklungsprozess führen. Zum anderen können nachfolgende Kalibrierprozesse dazu führen, dass die Windungen der gewickelten Lagen aufgespreizt werden. Bei einem Kalibrierprozess nach dem Bewickeln einer Spulenwicklung wird die vollständig gewickelte Spulenwicklung zusammengepresst, um die Windungen zu verdichten und die Aufbauchung des Wicklungsdrahts auf der Längsseite einer Rechteckspule wegzudrücken. Auch verhindert eine Auflage des Wicklungsdrahts in der Rillenstruktur an nur einem Auflagepunkt eine gleichmäßige sowie ausreichende Wärmeableitung aus dem Wicklungsdraht über den Wicklungsträger zum Komponentenzahn der elektrischen Maschine. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines ortho- zyklischen Lagenaufbaus beim Spulenwickeln zu vereinfachen und insbesondere die obigen Nachteile durch den Kalibrierprozess zu vermeiden sowie eine Wärmeableitung aus dem Wicklungsdraht zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Wicklungsträger zur Verwendung in einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie eine Wicklungsanordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Wicklungsträger zum definierten Aufbringen einer Spulenwicklung vorgesehen. Der Wicklungsträger umfasst:

- einen Wicklungsabschnitt zum Aufsetzen auf eine zylinderförmige Zahnkomponente;

- eine Rillenstruktur, die in mindestens einem Bereich des Wicklungsabschnitts angeordnet ist und sich quer zur Wicklungsachse erstreckt, um einen Wicklungsdraht aufzunehmen;

wobei die Rillenstruktur einen Querschnitt mit zwei einander gegenüberliegenden, vorzugsweise ebenen, Seitenflächen aufweist, die sich in Richtung einer Bodenfläche der Rillenstruktur verjüngen.

Eine Idee des obigen Wicklungsträgers besteht darin, die Rillenstruktur so auszubilden, dass ungeachtet des durch den Fertigungsprozess variierenden Durchmessers des Wicklungsdrahts eine Auflage des Wicklungsdrahts in der Rillenstruktur an zwei Auflagepunkten (im Querschnitt gesehen) erfolgt. Dies kann dadurch gewährleistet sein, dass die Rillenstruktur mit einander gegenüberliegenden geneigten Seitenflächen ausgebildet wird. Die geneigten Seitenflächen weisen eine sich in Aufnahmerichtung verjüngende Breite auf. Der beim Wickeln eingebrachte Wicklungsdraht wird dann an den einander gegenüberliegenden Seitenflächen gehalten. Dadurch ist es möglich sicherzustellen, dass der Wicklungsdraht mit zwei Auflagepunkten in dem Wicklungsträger gehalten ist, so dass beim Wicklungsprozess und beim nachfolgenden Kalibrierprozess die Position des Wicklungsdrahts nicht verändert werden kann. Weiterhin führt die Auflage des Wicklungsdrahts an zwei Auflagepunkten zu einer verbesserten Wärmeableitung von dem Wicklungsdraht in den Wicklungsträger.

Weiterhin kann der Querschnitt der Rillenstruktur trapezförmig oder dreiecksför- mig sein. Insbesondere kann ein Winkel einer oder beider Seitenflächen zwischen 10° und 40° bezüglich einer Tiefenrichtung der Rillenstruktur betragen.

Gemäß einer Ausführungsform kann eine Begrenzung an mindestens einem axialen Ende des Wicklungsabschnitts vorgesehen sein, die sich senkrecht in Richtung zur Wicklungsachse nach außen erstreckt.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Wicklungsanordnung mit dem obigen Wicklungsträger vorgesehen, wobei ein Wicklungsdraht in die Rillenstruktur des Wicklungsabschnitt eingebracht ist.

Weiterhin können der Durchmesser des Wicklungsdrahts und der Querschnitt der Rillenstruktur so aufeinander abgestimmt sein, dass der Wicklungsdraht an beiden Seitenflächen anliegt.

Zwischen dem Wicklungsdraht und einer Bodenfläche der Rillenstruktur kann ein Abstand vorgesehen sein.

Alternativ kann der Wicklungsdraht eine Bodenfläche der Rillenstruktur berühren und unter Verformung der Seitenflächen an diesen anliegen.

Der Wicklungsdraht kann in mehreren Lagen in einer orthozyklischen Anordnung angeordnet sein.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers;

Figur 2 einen Ausschnitt, der einen Querschnitt durch eine Rillen- struktur des Wicklungsträgers darstellt; und

Figur 3 einen Ausschnitt, der einen Zustand des bewickelten

Wicklungsträgers nach einem Kalibriervorgang darstellt. Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Wicklungsträgers 1 zum Aufsetzen auf einen Komponentenzahn einer elektrischen Maschine. Insbesondere kann der Wicklungsträger 1 zum Aufbau eines Stators für eine elektrische Maschine auf einen Statorzahn oder ein Statorzahnsegment aufgesetzt werden. Der Wicklungsträger 1 ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Kunststoff, ausgebildet.

Der Wicklungsträger 1 kann weiterhin einen zylindrischen Querschnitt aufweisen, so dass er in axialer Richtung auf einen Komponentenzahn aufgeschoben werden kann. Alternativ, wie in Figur 1 dargestellt, kann der Wicklungsträger 1 mit einer offenen Seite ausgebildet sein, so dass er seitlich auf einen Komponentenzahn aufgeschoben werden kann, insbesondere wenn dieser einen verbreiterten Zahnkopf aufweist. Zur vollständigen Isolation des Komponentenzahns von der Wicklung müssen dann zwei derartige Wicklungsträger von gegenüberliegenden Seiten auf den Komponentenzahn aufgesetzt werden.

Der Wicklungsträger 1 weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen Wicklungsabschnitt 2 auf, der, wie in Figur 1 dargestellt, dreiseitig aber auch zweiseitig oder vierseitig (zum vollständigen Umschließen des Statorzahns) ausgebildet sein kann. Der Wicklungsträger 1 ist in axialer Richtung durch hoch stehende Begrenzungen 4 in einer von der Achse wegführenden Richtung begrenzt. Die Begrenzungen 4 verhindern ein Abrutschen von Windungen von einer auf den Wicklungsträger 1 aufgebrachten Spulenwicklung, indem sie eine seitliche Begrenzung für die Spulenwicklung bilden. Der zylinderförmige Abschnitt 2 ist ganz oder teilweise mit Rillenstrukturen 3 versehen, die sich jeweils quer zur axialen Richtung des Wicklungsträgers 1 erstrecken. Die Rillenstrukturen 3 bestimmen die Anordnung von Abschnitten eines Wicklungsdrahts 8, der auf diesen Wicklungsträger 1 zu wickeln ist, in seiner Wurzellage. Durch die definierte Anordnung des Wicklungsdrahts 8 in der Wurzellage wird im Allgemeinen auch die Lage der Windungen der darauf folgenden Wicklungslagen vorgegeben, indem sich der Wicklungsdraht 8 in die entsprechenden Zwischenräume der Windungen in der Wurzellage einfügt. Weiterhin kann der Wicklungsträger 1 Klemmschlitze 5 vorsehen, die die beiden Enden der Spulenwicklung fixieren.

In Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine Rillenstruktur 3 mit einem eingelegten Wicklungsdraht 8 im Detail dargestellt. Man erkennt, dass der Querschnitt der Rillenstruktur 3 im Wesentlichen trapezförmig mit einer parallel zur Wicklungs- ebene verlaufenden Bodenfläche 6 und dazu geneigten, vorzugsweise ebenen,

Seitenflächen 7 gebildet ist. Die Neigung der Seitenflächen 7 ist so vorgesehen, dass sich die Breite der Rillenstruktur 3 in einer zur Bodenfläche 6 entgegengesetzten Richtung verbreitert. Der eingelegte Wicklungsdraht 8 stößt an beide Seitenflächen 7 an und wird aufgrund ihrer Neigung bezüglich der axialen Position durch diese gehalten.

Vorzugsweise ist die Breite der Bodenfläche 6 so vorgesehen, dass der Wicklungsdraht 8 an den Seitenflächen 7 gehalten wird, ohne dass der Wicklungsdraht 8 die Bodenfläche 6 berührt. Insbesondere weist die Rillenstruktur 3 eine Tiefe h auf, die größer ist als der halbe Durchmesser d/2 des Wicklungsdrahts 8.

Es sind jedoch auch Rillenstrukturen 3 mit einer Tiefe h denkbar, die kleiner ist als der halbe Durchmesser d/w des Wicklungsdrahtes 8. Die Neigung der Seitenflächen 7 beträgt jeweils zwischen 10° und 40°, vorzugsweise 20°. Die Neigung der Seitenflächen 7 kann gleich oder unterschiedlich sein.

Der Abstand der Wicklungsdrähte 8 von den jeweiligen Bodenflächen 6 der Rillenstruktur 3 in der Wurzellage beträgt vor dem Kalibrierprozess vorzugsweise das 1 - bis 100-fache der Breite einer den Wicklungsdraht 8 umgebenden Isolierungsschicht. Dieser Abstand ist vorzugsweise so gewählt, dass er durch Einwir- ken einer Kraft in Richtung der Bodenfläche 6 überwunden werden kann, und zwar entweder durch Verformung der Seitenflächen 7 der Rillenstruktur 3 oder durch die Verformung des Wicklungsdrahts 8.

Alternativ kann der Querschnitt der Rillenstruktur 3 auch dreieckförmig sein, d. h. eine Bodenfläche 6 ist zwischen den einander gegenüberliegenden Seitenflächen 7 nicht vorgesehen. Eine solche Rillenstruktur 3 hat den Vorteil, dass sie besonders einfach vorzusehen ist.

In Figur 3 ist ein Querschnitt eines bewickelten Wicklungsträgers 1 dargestellt. Man erkennt zwei Wicklungslagen, die in einer so genannten orthozyklischen

Wicklung angeordnet sind. Bei der orthozyklischen Wicklung liegen die Drähte einer Lage der Spulenwicklung zu mindestens 30% ihres Umfangs in den Tälern zwischen den einzelnen Windungen der darunter liegenden Lage, um eine besonders hohe Wicklungsdichte zu erreichen. Dadurch wirkt aber auch eine hohe Kraft auf benachbarte Windungen der jeweils darunter liegenden Wicklungslage.

Durch die vorgeschlagene Geometrie der Rillenstrukturen 3 wird diese Kraft von den Seitenflächen 7 der Rillenstrukturen 3 aufgenommen und der Wicklungsdraht 8 an seiner Position gehalten. Mit dem Einsatz einer Zweipunktauflage wird die axiale Verschiebung der Wicklungsdrähte 8 bei der Herstellung der Spulenwicklungen auf dem Wicklungsträger 1 verhindert. Dadurch ist die Verarbeitung von Wicklungsdrähten 8 unterschiedlicher Dicke innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs möglich. Weiterhin verhindert das Vorsehen von zwei Kontaktstellen an den Seitenflä- chen 7 ein Aufspreizen der einzelnen Windungen der Wurzellage, wenn eine weitere Lage von Windungen aufgebracht wird. Mit anderen Worten kann die Lage der Windungen in der Wurzellage nicht durch Druck der Windungen von darauf angeordneten Lagen verändert werden. Neben der deutlich verbesserten Fixierung des Wicklungsdrahts 8 durch die

Wicklungsträger 1 mit einer Zweipunktauflage wirkt sich die Form der Rillenstruktur 3 mit geneigten Seitenflächen 7 ebenfalls positiv auf die Wärmeableitung in den Wicklungsträger 1 aus. Durch den zweifachen Kontakt an den Kontaktstellen des Wicklungsdrahts 8 mit dem Wicklungsträger 1 verdoppelt sich der Bereich des Wärmeübergangs. Dies wirkt sich mittelbar auf den Wärmeübergangswiderstand aus und reduziert diesen, wodurch die Wärmeabfuhr der gesamten elektri- sehen Maschine, in der der so bewickelte Wicklungsträger 1 verwendet wird, verbessert wird.

Durch das Vorsehen der Kontaktstellen an den geneigten Seitenflächen 7 ist es bei einem Kalibrierprozess, bei dem nach dem Bewickeln des Wicklungsträgers 1 die Wicklung in Richtung des Wicklungsträgers 1 gepresst wird, möglich, dass eine weitere Kontaktstelle durch eine Berührung des Wicklungsdrahts 8 an einer der Bodenfläche 6 zugewandten Stelle entsteht. Dadurch kann ein zusätzlicher Wärmeübergangsbereich gebildet werden.