Titel

Wicklungszahn einer elektrischen Maschine

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Wicklungszahn für eine elektrische Maschine und einen Stator mit einer Mehrzahl dieser Wicklungszähne.

Stand der Technik

Für die Fertigung von elektrischen Maschinen existiert eine Reihe von

Wicklungsverfahren, die sich in Bezug auf Aspekte wie elektrischer Nutfüllfaktor,

Automatisierbarkeit, Herste II kosten, Drahtanordnung zueinander und vielem mehr unterscheiden. In der Regel ist man bemüht, elektrische Maschinen hoher Leistungsdichte zu bauen, um Bauraum und Gewicht gering zu halten. Eine verbreitete Wickeltechnik ist die Einzelzahnwicklung, die sich durch einen hohen Automatisierungsgrad und geordnete Drahtlagen auszeichnet. Die Einzelzahnwicklung erfolgt beispielsweise auf einen mit einem Wicklungsträger versehenen geblechten Einzelzahn oder auf einen einzelnen Wicklungsträger, der später auf den Zahn gefügt wird. Die Wicklung der Einzelzähne erfolgt in der Regel in der Form, dass die innen liegenden Lagen voll gewickelt sind (sich über die gesamte Länge des Zahns von der Basis bis zum Kopf erstrecken) und die äußerste Lage bzw. die äußersten Lagen in der Regel nicht voll gewickelt sind, um eine Stufenform zu erreichen. Diese Stufenform dient dazu, den Raum zwischen zwei benachbarten Wicklungszähnen möglichst gut auszunutzen. Da bei nebeneinander angeordneten, identisch bewickelten Wicklungszähnen die

Kanten der Lagensprünge immer auf demselben Durchmesser liegen, ist die Raumnutzung beschränkt.

Dies kann mit Hilfe einer Erhöhung der Lagensprünge (bei gleichzeitig erhöhtem Fertigungsaufwand) oder einer konischen Form des Wicklungsträgers teilweise ausgeglichen werden. Bei einem Stator besteht ein weiterer Ansatz darin, zwei unterschiedlich bewickelte Einzelzähne zu verwenden, was zu beträchtlichen Zusatzaufwänden führen kann.

Die DE 10 2004 037 866 AI beschreibt, wie über die Verwendung von Profildraht der Nutfüllfaktor einer Einzelzahnwicklung erhöht werden kann.

Die DE 10 2004 046 544 AI beschreibt eine Anpassung des Wicklungsträgers zur Führung und Aufnahme von gesteckten, U-förmigen Wicklungselementen.

Die DE 10 2004 011 094 AI beschreibt einen zweiteiligen Wicklungsträger, der jeweils auf die beiden Stirnseiten eines Lamellenpakets aufgesteckt wird.

Die DE 10 2010 031 584 AI beschreibt die geometrische Anpassung eines Wicklungsträgers, um eine Verbindung von jeweils benachbarten Zähnen zu realisieren.

Die JP 2007 215364 A zeigt eine Statorwicklung für einen Elektromotor, bei der die Flanken von Statorzähnen gestuft sind, um toten Raum zu reduzieren.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, dicht gepackte, einfach zu wickelnde Wicklungszähne für eine elektrische Maschine bereitzustellen.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Wicklungszahn für eine elektrische Maschine. Der Wicklungszahn kann einen Kern aus Blechlamellen aufweisen, um den eine Wicklung gewickelt ist. Der Wicklungszahn kann als Einzelzahn aufgefasst werden, da die Wicklung nur seinen Kern umgeben kann. Aus mehreren derartiger dieser Wicklungszähne kann ein Stator oder ein Rotor einer elektrischen Maschine aufgebaut werden. Der Wicklungszahn kann somit ein Statorzahn oder ein Rotorzahn sein. Die elektrische Maschine kann ein Generator und/oder ein Motor sein, beispielsweise der Antrieb eines Kraftfahrzeugs.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wicklungszahn einen magnetisch leitfähigen Kern, einen Wicklungsträger, der den Kern umgibt, und eine auf den Wicklungsträger gewickelte und den Kern umgebende Wicklung. Die Wicklung weist wenigstens eine Lage aus Einzelwindungen auf, die von einer Basis des Wicklungszahns bis zu einem Kopf des Wicklungszahns gewickelt ist, und weist eine innerste Lage aus Einzelwindungen auf, die von der Basis bis zu einer Stufe im Wicklungsträger zwischen der Basis und dem Kopf gewickelt ist.

Damit kann ein sich keilförmig verjüngender Raum zwischen zwei benachbarten Wicklungszähnen besser ausgenutzt werden. Die Wicklung kann aus einem einzelnen Draht bzw. Leiter gewickelt sein und/oder kann zwei Anschlussenden aufweisen, die beide in die Basis münden.

Weiter verläuft ein Anschlussende der Wicklung (ein erster Abschnitt des Drahtes bzw. des Leiters) von der Basis zu der Stufe im Wicklungsträger, ohne den Kern zu umrunden, und geht anschließend in die innerste Lage der Wicklung über. Auf diese Weise ist die innerste Lage von der Stufe weg zu der Basis hin gewickelt.

Mit anderen Worten beginnt der gewickelte Abschnitt der Wicklung (ohne die Anschlussenden) zwischen der Basis und dem Kopf des Zahns. Durch den gestuften Wicklungsträger in Kombination mit einem geänderten

Wicklungsschema kann der Raum zwischen den Kernen zweier Wicklungszähne möglichst gut genutzt werden. Insbesondere auch dann, wenn identische

Zahnwicklungen für den Stator verwendet werden.

Mit dem Wicklungszahn lassen sich sehr hohe Füllfaktoren realisieren, da der Raum zwischen zwei benachbarten Wicklungszähnen nahezu komplett für das Leitermaterial der Wicklung verwendet werden kann.

Der Wicklungsträger ist mit einer oder mehreren Stufen profiliert, um ein orthozyklisches Wickeln auch bei lediglich teilweise bewickelten, innen liegenden Lagen zu ermöglichen. Eine oder mehrere äußere Lagen sind dann vollständig bewickelt, d.h. von der Basis bis zum Kopf. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verläuft das Anschlussende der Wicklung (bzw. ein erster Abschnitt der Wicklung) von der Basis bis zu der Stufe in eine axiale Richtung des Wicklungszahns (bzw. in eine radiale Richtung des Stators bzw. Rotors). Das Anschlussende führt beispielsweise von der Basis axial bis zu einer Stelle, wo Einzelwindungen der innersten Lage beginnen.

Dieser axiale Abschnitt kann beispielsweise an einer Stirnseite des

Wicklungszahns vorgesehen sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Wicklungsträger an einer Stirnseite einen Führungssteg für das Anschlussende der Wicklung auf. Der Wicklungsträger kann einen oder zwei hervorstehende, gegebenenfalls unterbrochene, axiale Stege aufweisen, der oder die zum Führen des axialen Abschnitts des Anschlussendes der Wicklung dienen. Der Steg kann auch dazu dienen, die erste Lage der Wicklung abzustützen, die über das Anschlussende verläuft.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt zwischen der Stufe und dem Kopf des Wicklungszahns eine weitere Lage der Wicklung direkt auf dem

Wicklungsträger auf. Beispielsweise kann die weitere Lage in Richtung des Kopfes der Wicklung über die erste Lage hinausragen und dort von dem

Wicklungsträger abgestützt sein. Eine zweite Lage kann beispielsweise zwischen der Stufe und der Basis auf der innersten Lage aufliegen, wenn die Stufe lediglich eine Lage hoch ist und/oder wenn der Wicklungsträger lediglich eine Stufe aufweist, und dann anschließend auf dem Wicklungsträger aufliegen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Wicklung eine ungerade Anzahl an Lagen auf. Die innerste Lage ist vom Kopf weg zur Basis hin gewickelt, während die zweite Lage in die Gegenrichtung von der Basis weg zum Kopf hin gewickelt ist. Alle weiteren Lagen können auf diese Weise in

abwechselnden Richtungen zwischen dem Kopf und der Basis verlaufen. Die äußerste Lage (ungerade Anzahl, d.h. die 3., 5., 7. usw. Lage) endet dann an der Basis, wo der Leiter/Draht der Wicklung in ein weiteres Anschlussende übergeht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geht ein weiteres Anschlussende der Wicklung in eine äußerste Lage der Wicklung bei der Basis über. Wie bereits gesagt, kann die äußerste Lage vom Kopf weg zur Basis hin gewickelt sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Wicklung keine

Überkreuzungen von Einzelwindungen auf. Durch den Aufbau der Wicklung ist es möglich, dass jede Einzelwindung benachbart zu seiner vorhergehenden und nachfolgenden Einzelwindung liegt, d.h. entweder in axialer Richtung oder in radialer Richtung daneben. Einzelwicklungen, die eine andere Einzelwicklung überspringen, sind nicht notwendig. Auf diese Weise kann der Wicklungsraum so dicht wie möglich bepackt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Wicklungsträger aus Kunststoff gefertigt. Der Kern des Wicklungszahns ist in der Regel aus

Blechlamellen aufgebaut. Dieser Kern kann mit dem Wicklungsträger umspritzt sein.

Es ist jedoch auch möglich, dass der Wicklungsträger von dem Kern

bereitgestellt wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kern parallele Flanken auf, zu denen die Oberfläche des Wicklungsträgers abschnittsweise schräg verläuft. Der Kern kann im Wesentlichen parallele Flanken und/oder Stirnflächen aufweisen, um dem magnetischen Fluss eine gleichmäßige Querschnittsfläche bereitzustellen. Der Wicklungsträger kann gegenüber einer Mittelebene des Kerns schräge Flanken mit einer oder mehreren Stufen bereitstellen, ohne dass es zu Störungen des magnetischen Flusses kommen muss.

Des Wicklungsträgers kann an seiner Außenseite abschnittsweise (d.h. zwischen einer oder mehreren Stufen) im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieebene zwischen benachbarten Statorzähnen verlaufen. Damit können die äußersten Wicklungslagen zweier benachbarter Wicklungszähne im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wodurch der Raum zwischen den Kernen zweier benachbarter Wicklungszähne möglichst komplett mit Leitermaterial gefüllt wird bzw. zwei benachbarte Wicklungszähne möglichst dicht nebeneinander angeordnet werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Stufe im Wicklungsträger so hoch wie eine ungerade Anzahl an Lagen der Wicklung. Beispielsweise kann diese Stufe eine oder drei Lagen hoch sein. Es ist auch möglich, dass der Wicklungsträger mehr als eine Stufe aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Wicklungsträger Rillen zum Führen von Einzelwindungen der Wicklung auf. Diese Rillen können im Wesentlichen in Umfangsrichtung um den Kern verlaufen. Über eine derartige Profilierung des Wicklungsträgers kann sichergestellt werden, dass der

Draht/Leiter der Wicklung gezielt und reproduzierbar im Wickelprozess umgelenkt wird. Die weitere Aufgabe der Profilierung kann darin bestehen, eine Unterlage für die darüber zu wickelnden Lagen zur Verfügung zu stellen, um eine orthozyklische Wicklung zu ermöglichen. Eine orthozyklische Wicklung kann eine Wicklung sein, bei der die Mittelpunkte von Einzelwindungen mit kreisförmigem Querschnitt in gleichseitigen Dreiecken angeordnet sind.

Die Rillen an der Außenseite des Wicklungsträgers können (lediglich) an Flanken und/oder an Stirnseiten des Wicklungsträgers vorhanden sind.

Alle Einzelwindungen, die auf dem Wicklungsträger aufliegen (wie etwa die der innersten Lage), können in solchen Rillen angeordnet sein. Diese Rillen können beispielsweise einen runden Innenquerschnitt aufweisen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, der aus identischen Statorzähnen aufgebaut ist, so wie sie

obenstehend und untenstehend beschrieben sind. Ein identischer Typ von Wicklungszahn kann für den gesamten Stator der elektrischen Maschine verwendet werden. Auf diese Weise entfallen Zusatzaufwände für das

Bereitstellen unterschiedlicher Wicklungszähne.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Wicklungszahn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht auf eine Stirnfläche eines Wicklungszahns gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während des Erstellens der Wicklung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht auf eine Stirnfläche eines Wicklungszahns gemäß einer Ausführungsform der Erfindung während des Erstellens der Wicklung.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei benachbarte

Wicklungszähne gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wicklungszahns gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Wicklung nicht dargestellt ist.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende

Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10, wie etwa einen Generator und/oder einen elektrischen Motor, die einen Stator 12 und einen darin rotierbar aufgehängten Rotor 14 umfasst. Der Stator 12 umfasst eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung aufeinander abfolgend angeordneten

Wicklungszähnen 16 bzw. Statorzähnen.

Jeder der Wicklungszähne 16 umfasst einen Kern 18, der von einer Basis 20 bis zu einem Kopf 22 des Wicklungszahns reicht. Der Kern 18, die Basis 20 und der Kopf 22 sind aus geschichteten Blechlamellen gefertigt. Um den Kern 18 ist eine Wicklung 24, beispielsweise aus Kupferdraht, gewickelt.

Die Wicklungszähne des Stators 12 sind mit ihrer Basis 20, die an einer Seite eine axiale Führungsnut 26 und an der anderen Seite eine entsprechende axiale Feder 28 aufweist, miteinander verbunden. Die zu dem Stator 12

zusammengesetzten Wicklungszähne 16 bilden mit ihren Basen 20 einen ringförmigen Statorrücken, von dem aus die Kerne 18 auskragen. Der Kopf 22 jedes Wicklungszahns 16 weist in radialer Richtung nach innen und/oder weitet sich in seitliche Richtung (in Umfangsrichtung) pilzförmig auf. Auch der Rotor 14 kann entsprechende Wicklungszähne 16 (in diesem Fall

Rotorzähne) umfassen, die analog den Wicklungszähnen 16 des Stators aufgebaut sein können. Die Rotorzähne weisen allerdings mit ihrem Kopf nach außen und/oder weisen eine gemeinsame Basis auf. Die Fig. 2 zeigt zwei Wicklungszähne aus der Fig. 1 vergrößert im Querschnitt.

Bei einem der Wicklungszähne ist zu erkennen, dass die Wicklung 24 um einen Wicklungsträger 30 gewickelt ist, der den Kern 18 umgibt. Bei dem anderen der Wicklungszähne 16 ist die Wicklung 24 und der Wicklungsträger 30 nicht dargestellt.

Die Wicklung 24 kann aus Draht 32 oder einem anderen Leiter (wie etwa mehreren Einzellitzen) gewickelt sein. Dabei ist die Wicklung 24 aus mehreren Lagen 34 aus Einzelwindung 36 aufgebaut. Eine Einzelwindung 36 umläuft dabei genau einmal den Kern 18. Eine Lage 34 umfasst alle Einzelwindungen 36, die (im Wesentlichen) den gleichen Abstand zum Kern 18 aufweisen.

Die Wicklung 24 umfasst eine innerste Lage 34a, die von der Basis 20 bis zu einer Stufe 38 des Wicklungsträgers 30 verläuft und die direkt auf dem

Wicklungsträger 30 aufliegt. Eine äußerste Lage 34c verläuft von der Basis 20 bis zum Kopf 22. Weitere Lagen 34b, die zwischen den Lagen 34a, 34c angeordnet sind, können auch von der Basis 20 bis zum Kopf 22 verlaufen.

Eine zweite Lage 34d liegt dabei zwischen der Basis 20 und der Stufe auf der ersten Lage 34a und zwischen der Stufe 38 und dem Kopf 22 auf dem

Wicklungsträger 30 auf. Die anderen Lagen 34c, 34b liegen jeweils vollständig auf der jeweils eins weiter innen liegenden Lage 34 auf.

Der Draht bzw. Leiter 32 der Wicklung 24 geht bei der Stufe 38 in die

Einzelwindungen 36 der innersten Lage 34a über. Dies geschieht mit einem axial verlaufenden Abschnitt bzw. Anschlussende 40 des Drahts 32 der unter der innersten Lage 34a verläuft (und wie es in den Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt ist). Der zu der innersten Lage 34a gewickelte Draht 32 verläuft dann von der Stufe 38 zu der Basis 20, geht dann in die zweite Lage 34d über, um von der Basis 20 bis zu dem Kopf zu verlaufen. Anschließend geht er in die dritte Lage 34b über. Dies geht so weiter, bis der Draht 32 beim Kopf 22 in die äußerste Lage 34c übergeht und dann bis zu der Basis 20 gewickelt ist, wo er die Wicklung 24 in einem weiteren Anschlussende 42 verlässt.

Auf diese Weise umfasst die Wicklung 24 eine ungerade Anzahl an Lagen 34, wobei es nicht nötig ist, dass sich Einzelwindungen 36 überkreuzen. Alle Lagen der Wicklung 24 können direkt aufeinanderliegen und/oder möglichst dicht gepackt sein.

Der Wicklungsträger 30, der aus Kunststoff gefertigt ist, weist Rillen bzw. Nuten 44 auf, die dazu geeignet sind, den Draht bzw. Leiter 32 der Wicklung 24 zu führen. Der Draht 32 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, während die Rillen 44 im Querschnitt einen Kreisabschnitt mit gleichem Radius aufweisen.

Die Stufe 38 ist eine Lage 34 bzw. den Durchmesser des Drahts 32 hoch. Der Wicklungsträger weist noch eine weitere Stufe 46 auf, die am kopfseitigen Rand des Wicklungsträgers 30 angeordnet ist, und die die letzte Einzelwindung 36 in Richtung Kopf 22 der dritten Lage abstützt. Auch diese Stufe 46 ist eine Lage hoch.

Um einen gleichförmigen magnetischen Fluss durch den Kern 18 zu

ermöglichen, weist der Kern parallele Flanken 48 auf, die parallel zu einer radial verlaufenden Mittelebene 52 des Kerns 18 verlaufen. Die Abschnitte 50 des

Wicklungsträgers 30 zwischen der Basis 20 und der Stufe 46 und zwischen der Stufe und der weiteren Stufe 46 verlaufen parallel zu einer radial verlaufenden Ebene 54, die zwei benachbarte Wicklungszähne 16 symmetrisch zueinander trennt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Wicklungen 24 zweier benachbarter Wicklungszähne 16 (fast) flächig aneinanderliegen und kein Platz zwischen den Wicklungszähnen 16 verloren geht. Dies ist in der Fig. 5 zu erkennen.

Die Basis 20 weist außerdem eine nach radial außen weisende Nut 56 auf, mit der die Wicklungszähne an einem Statorgehäuse befestigt werden können. Die Fig. 3 und die Fig. 4 zeigen, dass beim Wickeln der Wicklung 24 zunächst ein in axialer Richtung verlaufender Draht 32 in der Ebene 52 an einer Stirnseite 58 des Wicklungsträgers 30 entlang von der Basis 20 bis zu der Stufe 38 geführt wird. Anschließend knickt der Draht 32 ab (beispielsweise um einen

Umlenkpfosten) und geht in die erste Einzelwindung 36 der innersten Lage 34a über. Über dieses axial verlaufende Anschlussende 40 verlaufen dann die Einzelwindungen 36 der innersten Lage 34a.

Die Fig. 5 zeigt, dass aufgrund der Schräglage der Abschnitte 50 in Bezug auf die Flanken 48 des Kerns 18 der Raum zwischen zwei benachbarten

Wicklungszähnen 16 optimal ausgenutzt werden kann.

Die Fig. 6 zeigt einen um den Kern 18 gespritzten Wicklungsträger 30 aus Kunststoff. Der Wicklungsträger 30 weist an einer Stirnseite 58 (d.h. einer der Seiten, die in axiale Richtung der elektrischen Maschine 10 bzw. des Stators 12 weist) zwei Führungsstege 60 auf, zwischen denen der axiale Abschnitt des Drahts 32, d.h. das Anschlussende 40, bis zur Stufe 38 geführt werden kann. Einer der Stege 60 führt dabei bis zu der Stufe 38. Der andere Steg 60 hat einen Abstand zu der Stufe 38, so dass der Draht 32 an dieser Stelle in Richtung Stufe 38 abknicken kann. Dieser Steg 60 stellt mit einer in Richtung Kopf 22 weisenden

Kante einen Anschlag bereit, um den der Draht 32 geknickt werden kann.

Die Flanken 62 des Wicklungsträgers 30 (d.h. die Seiten, die in Umfangsrichtung weisen) tragen die Rillen 44 zum Führen des Drahtes, während an den

Stirnseiten 58 keine Rillen 44 vorhanden sind.

Die Stufe 38 umrundet den Wicklungsträger 30 komplett, d.h. an den Stirnseiten 58 und an den Flanken 62. Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend",

„umfassend" etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.