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Title:
COIL ELEMENT FOR AN ELECTRICAL MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/063822
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a coil element (6, 6') for a coil of an electrical machine comprising at least two conductor elements (10), which run in parallel, for arrangement in slots (3) of a coil former (2) and at least one connecting section (8) which connects the two conductor elements (10) to one another, wherein the conductor elements (10) and the connecting section (10) are formed in one piece, characterized in that a bending point (11, 11') in a plane which is spanned by the two conductor elements (10) is provided only at a transition (9) from one conductor element (10) to the connecting section (8), and in that the connecting section (8) runs in a straight line. Further aspects of the invention are a wave winding for an electrical machine having at least one coil element of this kind, and an electrical machine.

Inventors:
REUTER, Stefan (Hammelburg, DE)
WITTSTADT, Ralf (Grettstadt, DE)
Application Number:
EP2020/076872
Publication Date:
April 08, 2021
Filing Date:
September 25, 2020
Export Citation:
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Assignee:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG (Friedrichshafen, DE)
International Classes:
H02K3/12; H02K3/28
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Claims:
Patentansprüche

1. Spulenelement (6, 6‘) für eine Spule einer elektrischen Maschine umfassend min destens zwei parallel verlaufenden Leiterelemente (10) zu Anordnung in Nuten (3) eines Spulenkörpers (2) und mindestens einem Verbindungsabschnitt (8) der die beiden Leiterelemente (10) miteinander verbindet, wobei die Leiterelemente (10) und der Verbindungsabschnitt (8) einteilig ausgebildet sind, dadurch ge kennzeichnet, dass nur an einem Übergang (9) von einem Leiterelement (10) zu dem Verbindungsabschnitt (8) eine Biegestelle (11 , 11 ‘) in einer von den beiden Leiterelementen (10) aufgespannten Ebene vorgesehen ist, und dass der Verbin dungsabschnitt (8) geradlinig verläuft.

2. Spulenelement (6, 6‘) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Biege stelle (11 , 11 ‘) im Übergang (9) in zwei durch einen geraden Zwischenabschnitt verbundene Teilbiegestellen (11 ‘) aufgeteilt ist.

3. Spulenelement (6, 6‘) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass am Verbindungsabschnitt (8) zwei weitere Biegestellen (12) in einer Ebene, welche senkrecht zu der von den Leiterelementen (10) aufge spannten Ebene verläuft, aufweist, und dass die weiteren Biegestellen (12) in ge genläufige Richtungen gebogen sind.

4. Spulenelement (6, 6‘) nach Anspruch 0 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden weiteren Biegestellen (12) den Verbindungsabschnitt (8) in mehrere Bereiche tei len und zwei der Bereiche parallel verlaufen.

5. Spulenelement (6, 6‘) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (8) oder zumindest ein durch Bie gestellen (11, 11‘, 12) begrenzter Bereich des Verbindungsabschnitts (8) in einer senkrecht zu den Leiterelementen (10) verlaufenden Ebene gebogen verläuft.

6. Spulenelement (6, 6‘) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (8) in einer senkrecht zu den Lei terelementen (10) verlaufenden Ebene liegt.

7. Wellenwicklung für eine elektrische Maschine mit zumindest einem Spulenele ment (6, 6‘) nach eine der Ansprüche 1 bis 0.

8. Wellenwicklung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Spulenelemente (6, 6‘) vorgesehen sind, welche mit ihren Verbindungsabschnitten (8) in axialer Richtung unterschiedlich weit über den Spulenkörper (2) vorstehen, und dass zumindest die weiter über den Spulenkör per (2) vorstehenden Spulenelemente (6‘) zumindest teilweise als Spulenele mente (6‘) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 0 ausgebildet sind.

9. Wellenwicklung nach einem der Ansprüche 0 oder 0, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Phasen und eine Lochzahl q von zumindest drei vorgesehen ist, dass die Wellenwicklung einen Standard-Wickelschritt WS von WS = q*m auf weist, wobei q der Lochzahl und m der Anzahl der Phasen entspricht, dass zu mindest eine der Lochzahl q entsprechende Anzahl an Spulensträngen parallel geschalten vorgesehen sind, wobei die Spulenstränge jeweils zumindest ein Spulenelement (6, 6‘) mit zumindest einem Wendebereich W umfasst, wobei der Wendebereich W den Verbindungsabschnitt (8) und die benachbarten Über gänge (9) beinhaltet, dass zwei unterschiedliche Varianten von Spulenelementen (6, 6‘) vorgesehen sind, dass bei einer ersten Variante der Spulenelemente (6) der Wendebereich W zwischen den Leiterelementen (10) einen verkürzten Wi ckelschritt WK aufweist, dass bei einer zweite Variante der Spulenelemente (6‘) der Wendebereich W einen verlängerten Wickelschritt WL aufweist, und dass zu mindest die zweite Variante durch Spulenelemente (6‘) gemäß einem der An sprüche 1 bis 0 ausgebildet ist.

10. Wellenwicklung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenele ment (6, 6‘) mehrere Wendebereiche W aufweist, wobei sowohl Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als auch mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen sind.

11. Wellenwicklung nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang des Spulenelements (6, 6‘) Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL und verkürztem Wickelschritt WK jeweils mit einem Wendebereich mit einem Standard-Wickelschritt WS abwechseln, und dass mehr, vorzugsweise doppelt so viele, Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlänger tem Wickelschritt WL vorgesehen sind.

12. Stator (1) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Sta tor (1 ) mit einer Wellenwicklung nach einem der Ansprüche 0 bis 0 versehen ist.

13. Rotor für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor mit einer Wellenwicklung nach einem der Ansprüche 0 bis 0 versehen ist.

14. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wellen wicklung nach einem der Ansprüche 0 bis 0 vorgesehen ist.

Description:
Spulenelement für eine elektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spulenelement für eine elektrische Maschine mit einer verteilten Wicklung sowie eine elektrische Maschine mit einer entsprechen den Wicklung.

Im Stand der Technik ist beispielsweise aus DE 102014223202 A1 bekannt, dass bei einer elektrischen Maschine verteilte Wicklungen mit mehreren sich über den Umfang verteilten Strängen aus Leiter vorgesehen werden.

Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist in WO 2007/146252 gezeigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung ein Spulenelement, wel ches den benötigten Bauraum, insbesondere in axialer Richtung, möglichst gering hält. Eine weitere Aufgabe ist ein Wickelschema, welches einfach und schnell herzu stellen ist sowie einen Betrieb der elektrischen Maschine mit hoher Leistung und ge ringen Verlusten ermöglicht.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Spulenelement sowie einer Wellenwicklung und einer elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß ist ein Spulenelement für eine Spule einer elektrischen Maschine umfassend mindestens zwei parallel verlaufenden Leiterelemente zu Anordnung in Nuten eines Spulenkörpers und mindestens einem Verbindungsabschnitt der die bei den Leiterelemente miteinander verbindet, wobei die Leiterelemente und der Verbin dungsabschnitt einteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur an ei nem Übergang von einem Leiterelement zu dem Verbindungsabschnitt eine Biege stelle in einer von den beiden Leiterelementen aufgespannten Ebene vorgesehen ist, und dass der Verbindungsabschnitt geradlinig verläuft.

Für Spule einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einer verteilten Wicklung, werden Spulenstränge verwendet, welche aus einem oder mehreren Spulenelemen ten aus einem Stück eines elektrisch leitenden Materials, beispielsweise Kupferdraht insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, gebildet werden. Verbreitet sind hierbei Spulenelemente als sogenannte Hairpins, welche in ihrer Ausgangsform aus zwei parallel verlaufenden Leiterelementen und einem die Leiterelemente verbindenden Wendebereich bestehen. Alternativ sind auch wellenförmige Spulenelemente mög lich, welche eine Vielzahl parallel verlaufender Leiterelemente aufweisen, wobei je weils zwei Leiterelemente über einen Wendebereich miteinander verbunden sind. Im Weiteren sind mit den Begriffen Hairpin, wellenförmiger Leiter beziehungsweise Wel lenleiter ebenfalls Spulenelemente im Sinne der Anmeldung umfasst. Die Leiterele mente werden lagenweise in über den Umfang verteilten, in axialer Richtung verlau fenden Nuten eines Spulenkörpers eingebracht, um die Wicklung zu bilden.

Der Wendbereich umfasst jeweils einen sich an den Leiterelementen anschließenden Übergang, bei dem durch eine Biegestelle das leitende Material in Richtung des je weils anderen Leiterelements gebogen ist. Die Übergänge sind durch einen in radia ler Richtung betrachtet geradlinig verlaufenden Verbindungsabschnitt einteilig ver bunden. Durch den geradlinigen Verlauf kann der benötigte axiale Bauraum für den Spulenkopf reduziert werden und somit eine kompakte Bauform erreicht werden.

Ausführungsformen eines Spulenelements sind dadurch gekennzeichnet, dass die Biegestelle im Übergang in zwei durch einen geraden Zwischenabschnitt verbundene Teilbiegestellen aufgeteilt ist. Um den Biegewinkel pro Biegestelle zu verringert und damit auch die Belastung einer gegebenenfalls am leitenden Material vorgesehen isolierenden Beschichtung beziehungsweise die Gefahr deren Beschädigung zu ver ringern, ist die Biegestelle in mehrere Teilbiegestellen aufgeteilt. Die Teilbiegestellen sind vorteilhafterweise durch gerade Zwischenabschnitte verbunden, um die durch die Biegung belasteten Bereich der isolierenden Beschichtung zu beabstanden.

Spulenelemente gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass am Verbindungsabschnitt zwei weitere Biegestellen in einer Ebene, welche senkrecht zu der von den Leiterelementen aufgespannten Ebene verläuft, aufweist, und dass die weiteren Biegestellen in gegenläufige Richtungen gebogen sind. Die Leiterelemente werden bei Hairpins in unterschiedlichen Lagen beziehungsweise bei Wellenleiter wechselweise in unterschiedlichen Lagen der Nuten angeordnet. Damit die Wende bereiche in axialer Richtung betrachtet über den Umfang des Spulenkopf aneinander vorbei geführt werden können, ist im Verbindungsabschnitt ein S-förmiger Verlauf mit zwei gegenläufigen Biegestellen vorgesehen. Aufgrund des S-förmigen Verlaufs kön nen die Verbindungsbereich besser in radialer Richtung nebeneinander angeordnet werden, wodurch axialer Bau raum eingespart wird.

Weitere Ausführungsformen der Spulenelemente sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden weiteren Biegestellen den Verbindungsabschnitt in mehrere Bereiche tei len und zwei der Bereiche parallel verlaufen. In axialer Richtung betrachtet können die weiteren Biegestellen mit einem relativ großen Radius vorgesehen sein und direkt ineinander übergehen. Vorteilhafterweise teilen die weiteren Biegestellen den Verbin dungsabschnitt allerdings in zwei in axialer Richtung betrachtet geradlinig verlaufen den Bereiche, welche parallel zueinander verlaufen.

Gegebenenfalls kann zwischen den weiteren Biegestellen ein weiterer gerader Be reich vorgesehen sein.

Spulenelement gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt oder zumindest ein durch Biegestellen begrenzter Bereich des Verbindungsabschnitts in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden Ebene gebogen verläuft. Alternativ oder zusätzlich zu einem S-förmigen Verlauf mit weiteren Biegestellen, ist es ebenfalls möglich, dass der Verbindungsabschnitt oder Bereiche des Verbindungsabschnitts in einer senkrecht zu den Leiterelementen ver laufenden, also einer radialen, Ebene gebogen verlaufen. Auch hiermit kann die An ordnung der Wendebereiche in radialer Richtung verbessert und somit axialer Bau raum eingespart werden.

Ausführungsformen von Spulenelementen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden Ebene liegt. Indem der Verbindungsabschnitt parallel zu dem axialen Ende des Spulenkör pers angeordnet wird, kann ebenfalls der benötigte Bau raum in axialer Richtung ge ringgehalten werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Wellenwicklung für eine elektrische Ma schine mit zumindest einem Spulenelement gemäß der Beschreibung. Hiermit kön- nen die beschriebenen Vorteile für die Wellenwicklung genutzt werden. Die Wellen wicklung kann hierbei aus mehreren Spulensträngen bestehen, welche jeweils wie derum aus mehreren, miteinander elektrisch leitend verbundenen, Spulenelementen, wie Hairpins, zusammengesetzt sind, oder jeweils einen oder mehrere Wellenleitern umfassen.

Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass min destens zwei unterschiedliche Spulenelemente vorgesehen sind, welche mit ihren Verbindungsabschnitten in axialer Richtung unterschiedlich weit über den Spulenkör per vorstehen, und dass zumindest die weiter über den Spulenkörper vorstehenden Spulenelemente zumindest teilweise als Spulenelemente gemäß der Beschreibung ausgebildet sind. Insbesondere bei axial weiter über den Spulenkörper vorstehenden Wendebereichen ist durch erfindungsgemäße Spulenelemente eine Reduzierung des benötigten axialen Bauraums erreichbar.

Wellenwicklung sind gemäß Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass meh rere Phasen und eine Lochzahl q von zumindest drei vorgesehen ist, dass die Wel lenwicklung einen Standard-Wickelschritt WS von WS = q * m aufweist, wobei q der Lochzahl und m der Anzahl der Phasen entspricht, dass zumindest eine der Loch zahl q entsprechende Anzahl an Spulensträngen parallel geschalten vorgesehen sind, wobei die Spulenstränge jeweils zumindest ein Spulenelement mit zumindest einem Wendebereich W umfasst, wobei der Wendebereich W den Verbindungsab schnitt und die benachbarten Übergänge beinhaltet, dass zwei unterschiedliche Vari anten von Spulenelementen vorgesehen sind, dass bei einer ersten Variante der Spulenelemente der Wendebereich W zwischen den Leiterelementen einen verkürz ten Wickelschritt WK aufweist, dass bei einer zweite Variante der Spulenelemente der Wendebereich W einen verlängerten Wickelschritt WL aufweist, und dass zumin dest die zweite Variante durch Spulenelemente gemäß der Beschreibung ausgebil det ist.

Die Erfindung umfasst somit eine Wellenwicklung, welche eine verteilte Wicklung darstellt, bei der die Spulen der Wicklung jeweils über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind. Die elektrische Maschine weist zumindest eine Phase auf, wo bei auch mehrere Phasen, insbesondere drei Phasen, vorgesehen sein können. Es ist eine festgelegte Anzahl von magnetischen Pole vorgesehen, die über einen Um fang der elektrischen Maschine verteilt sind, diese Anzahl entspricht der Polzahl und ist geradzahlig, da jeweils eine gleiche Anzahl von magnetischen Nord- und Südpo len vorliegt. Entweder der Rotor, der Stator oder Rotor und Stator der elektrischen Maschine weisen Nuten für die Aufnahme der Wellenwicklung auf. Pro Phase kön nen auch mehrere Spulenstränge parallel geschalten vorgesehen sein. Bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Lochzahl von mindestens drei auf, was bedeutet, dass pro Pol eine der Lochzahl entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung benach barter Nuten vorgesehen ist. Die Spulenstränge weisen an Ihren beiden Enden je weils einen Anschlusspin auf und sind jeweils in mehrere in Reihe geschaltene Teil stränge aufgeteilt. Jeder Teilstrang weist dabei eine der Polzahl der elektrischen Ma schine entsprechende Mehrzahl von Leiterelementen auf und erstreckt sich somit einmal um den Umfang. Zwei benachbarte Leiterelemente sind jeweils durch einen Wendebereich miteinander zu einem Hairpin verbunden. Die Leiterelemente sind in Lagen in den Nuten aufgenommen und jeweils zwei in radialer Richtung benachbarte Lagen bilden eine Doppellage, wobei vorzugsweise die Leiterelemente eines Teil strangs in einer Doppellage angeordnet sind.

Jeder Hairpin weist an seinen freien Enden Kontaktbereiche auf. Der Wendebereich ist jeweils vorzugsweise einteilig mit den Leiterelementen ausgebildet. Um benach barte Hairpins miteinander zu verbinden ist der Kontaktbereich als Kontaktpin ausge führt, welcher zur elektrisch leitfähigen Verbindung, zum Beispiel Verschweißen mit einem entsprechenden Kontaktpin eines benachbarten Hairpins des Spulenstrangs verbunden wird. Der Kontaktbereich kann auch als Anschlusspin ausgeführt sein, welcher zum Anschluss des Spulenstrangs, genauer der beiden Enden eines Spu lenstrangs, an eine Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Vorteilhaft weisen Kontaktpins und Anschlusspins eine gleiche geo metrische Ausbildung auf, wodurch die Anzahl unterschiedlicher Teile reduziert wird, was die Kosten und den Montageaufwand verringert, wobei auch unterschiedliche Geometrien möglich sind, um beispielsweise die Anbindung an die Leistungselektro nik zu erleichtern. Wellenwicklungen gemäß der Erfindung weisen zwei unterschiedliche Varianten von Hairpins auf. Hierfür weist bei einer ersten Variante der Hairpins der Wendebereich zwischen den Leiterelementen einen verkürzten Wickelschritt WK auf. Der verkürzte Wickelschritt WK ist dabei um eins kleiner als ein theoretischer Standard-Wickel schritt WS, welcher den Abstand zwischen den Nuten der Leiterelemente auf den theoretischen Wert aus dem Produkt aus der Lochzahl und der Anzahl Phasen dar stellt, bei dem pro Pol stets die gleiche Nutposition, beispielsweise rechts, Mitte oder links bei einer Lochzahl von drei, belegt wird. Durch den verkürzten Wickelschritt WK wird ein Wechsel zwischen den Nuten erreicht. Aufgrund des Zusammenhangs WK = WS - 1 , wobei WK den verkürzten Wickelschritt und WS den Standard-Wickel schritt darstellt, erfolgt durch die erste Variante von Hairpins ein Wechsel der Lei terelemente eines Teilstrangs zwischen benachbarten Nuten der aufeinanderfolgen den, über den Wendebereich des Hairpins verbundenen, Pole. Es erfolgt somit ab hängig von der Blickrichtung und einer Lochzahl von drei ein Wechsel von einer rech ten auf eine mittlere beziehungsweise von einer mittleren auf eine linke Nut.

Es sind daher ebenfalls Hairpins in einer zweiten Variante vorgesehen, wobei die Hairpins der zweiten Variante einen verlängerten Wickelschritt WL aufweisen, der um den Wert der Lochzahl q größer als der verkürzte Wickelschritt WK ist. Der verlän gerte Wickelschritt WL kann auch mit der Formel WL = WK + q dargestellt werden, wobei q den Wert der Lochzahl, WL den verlängerten Wickelschritt der zweiten Vari ante von Hairpins und WK den verkürzten Wickelschritt der ersten Variante von Hair pins darstellt. Durch diese Hairpins mit einem verlängertem Wickelschritt WL wird zwischen den äußeren Nutpositionen aufeinanderfolgender Leiterelemente gewech selt, von der linken auf die rechten Nut, wobei die Bezeichnungen links und rechts hierbei von der Blickrichtung abhängig sind.

Beiden Varianten ist gemein, dass die Kontaktbereiche jeweils um den halben Stan dard-Wickelschritt WS in dem Wendebereich entgegengesetzter Richtung umgeformt sind, um zwischen miteinander verbundenen Leiterelementen benachbarter Hairpins den Standard-Wickelschritt WS zu erreichen. Anders ausgedrückt, weisen erfin dungsgemäße Wellenwicklungen auf der axialen Seite der Kontaktbereiche für alle Lagen einen einheitlichen Wickelschritt auf, wodurch die Herstellung sowie die Ver- bindung, zum Beispiel durch Schweißen, der entsprechenden Kontaktbereiche mitei nander vereinfacht wird. Die Umformung erfolgt dabei pro Lage abwechselnd in ent gegengesetzte Umfangsrichtung, da die Leiterelemente jedes Hairpins in unter schiedlichen Lagen einer Doppellage angeordnet sind.

Weitere Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenelement mehrere Wendebereiche W aufweist, wobei sowohl Wende bereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als auch mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen sind. Werden Wellenleiter verwendet, weisen die Spulenelemente mehrere Wendebereiche W an beiden axialen Enden des Spulenkörpers auf. Um ein gewünschtes Wickelschema zur Erreichen sind daher an einem Wellenleiter als Spu lenelement Wendebereiche W mit zumindest teilweise unterschiedlichen Wickel schritten vorgesehen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekenn zeichnet, dass sich entlang des Spulenelements Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL und verkürztem Wickelschritt WK jeweils mit einem Wendebereich mit einem Standard-Wickelschritt WS abwechseln, und dass mehr, vorzugsweise doppelt so viele, Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlän gertem Wickelschritt WL vorgesehen sind. Zur Ausbildung eines gewünschten Wi ckelschemas, zum Beispiel analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit Hairpins, sind vorteilhafterweise immer Wendebereiche mit einem Standard-Wi ckelschritt WS wechselweise mit anderen Wickelschritten vorgesehen, wodurch diese auf einer axialen Seite des Spulenkörpers liegen. Da mehr Hairpins der ersten Variante als der zweiten Variante benötigt werden, sind bei der Verwendung von Wellenleiter entsprechend mehr Wendebereiche mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen. Für eine bevorzugte Lochzahl von drei wären entsprechend doppelt so viele Wendebereiche W mit verkürztem Wickel schritt WK wie Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen.

Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Wendebereich W der Hairpins mit verlängertem Wickelschritt WL axial weiter über ei- nen Spulenkörper vorsteht als der Wendebereich W der Hairpins mit einem verkürz ten Wickelschritt WK. Die Wendebereiche der Hairpins verbinden die Leiterelemente in den Nuten des Spulenkörpers an einem axialen Ende des Spulenkörpers. Die Wendebereiche der Hairpins mit verkürztem Wickelschritt können dabei nebeneinan der angeordnet werden und mit einer gleichen, vorzugsweise geringen, Höhe ausge führt werden. Die Wendebereiche der Hairpins mit einem verlängerten Wickelschritt stehen axial weiter über den Spulenkörper vor und überspannen die Wendebereiche mit einem verkürzten Wickelschritt.

Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang mindestens ein Hairpin mit verlängertem Wickelschritt WL und mindes tens zwei Hairpins mit einem verkürzten Wickelschritt WK vorgesehen sind.

Aus Gründen der vorteilhaften Symmetrie weist jeder Teilstrang im Durchschnitt ei nen Abstand zwischen den Leiterelementen auf, welcher dem Standard-Wickelschritt entspricht. Hierfür sind für jeden Hairpin mit einem verlängerten Wickelschritt eine der Lochzahl minus eins entsprechende Anzahl von Hairpins mit verkürztem Wickel schritt vorgesehen. Die Anzahl der Hairpins erfüllen somit vorzugsweise das Glei chungsverhältnis n = m * (q - 1 ), wobei n die Anzahl der Hairpins einer ersten Vari ante mit verkürztem Wickelschritt, m die Anzahl der Hairpins einer zweiten Variante mit verlängertem Wickelschritt und q die Lochzahl darstellt.

Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang zusätzlich zumindest ein Hairpin einer dritten Variante vorgesehen ist, wel cher einen Wendebereich W mit einem Standard-Wickelschritt WS aufweist. Hier durch können konstruktionsabhängig auch längere Teilstränge bereitgestellt werden, bei denen der Durchschnittliche Wickelschritt dem Standard-Wickelschritt entspricht.

Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente pro Teilstrang gleich oft jede der Lochzahl zugehörigen Nuten durch laufen. Hierdurch wird für die Spulenstränge ein hoher Symmetriegrad erreicht, wel cher unter anderem hinsichtlich reduzierten Verlusten vorteilhaft ist. Für den Fall, dass Flairpins einer dritten Variante vorgesehen sind, sind diese mit ei ner der Lochzahl entsprechenden Anzahl, oder einem Vielfachen davon, vorgesehen und vorzugsweise jeweils zwischen den Hairpins der ersten und zweiten Variante an geordnet.

Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein ganzahliges Vielfaches von parallel geschalteten Spulensträngen vorgesehen sind. Spulen weisen vorteilhafterweise mehrere parallele Stränge auf. Pro Phase sind vorzugsweise jeweils gleich viele parallele Stränge vorgesehen, weshalb ein ganz zahliges Vielfaches der Phasenzahl an parallelen Strängen vorgesehen ist.

Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die An schlusspins der parallelen Spulenstränge jeweils im gleichen Pol angeordnet sind. Durch die Anordnung im gleichen Pol kann der Aufwand für eine Verschaltung der Spulenstränge vereinfacht und kleiner ausgeführt werden. Somit kann Bau raum ein gespart werden.

Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in der gleichen Lage angeordnet sind. Bau raum kann ebenfalls eingespart werden, wenn beide Anschlusspins eines Spu lenstrangs in eine gleichen, vorzugsweise äußeren, Lage angeordnet sind, da hier durch die Verschaltung kleiner ausgeführt beziehungsweise nur von einer Seite an geordnet werden kann oder die Anschlusspins einfach in radialer Richtung umform bar sind.

Alternative Ausführungsformen von Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in direkt benachbarten Lagen ei ner Doppellage angeordnet sind. Abgesehen von der Umformbarkeit in radialer Rich tung weisen diese Ausführungsformen die gleichen Vorteile auf, wie die vorgenann ten mit einer Anordnung in einer Lage. Weiter alternative Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekenn zeichnet, dass jeweils einer der beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in der ra dial inneren Lage und in der radial äußeren Lage angeordnet ist. Durch eine derar tige Anordnung ist ebenfalls eine leichte Zugänglichkeit der Anschlusspins gegeben und es ist gegebenenfalls ausreichend, dass die Spulenstränge den Spulenkörper in radialer Richtung nur einmal durchlaufen.

Ausführungsformen von Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil jedes Spulenstrangs, welcher mindestens einen Teilstrang umfasst, in Umfangs- richtung entgegengesetzter Richtung gewickelt ist, dass der Wechsel der Richtung der Wicklung zwischen den Teilsträngen in einer in radialer Richtung äußeren Lage erfolgt, dass die Verbindung zwischen den Teilen des Spulenstrangs mit unterschied licher Richtung der Wicklung durch ein Brückenelement oder einen in radialer Rich tung sowie entgegengesetzter Umfangsrichtung verformten Kontaktbereich K gebil det ist, welche mit den Kontaktbereichen K der Hairpins elektrisch leitend verbunden sind.

Durch die Umkehr der Richtung der Wicklung werden die Verluste weiter reduziert, da eine höhere Symmetrie der Wellenwicklung erreicht wird.

Durch die Verwendung von Brückenelementen kann die einheitliche Verformung der Kontaktbereiche der Hairpins aufrechterhalten werden, was die Herstellung verein facht und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechen den Teilsträngen erreicht werden. Durch das Brückenelement kann einfach eine Ver bindung über einen benötigen Umfangsbereich erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass abhängig vom zur Verfügung stehenden Bauraum für die elektrische Maschine das Brückenelement entweder mit axialer oder besonders bevorzugt mit radialer Ausrichtung angeordnet ist.

Alternativ kann anstatt eines Brückenelements auch einer der entsprechenden Kon taktbereiche radial nach außen und in entgegengesetzter Umfangsrichtung verformt werden, um eine direkte Verbindung zwischen den Kontaktbereichen zu erreichen. Hierdurch wird der Umformprozess der Kontaktbereiche zwar etwas aufwendiger, je doch entfallen die Brückenelemente sowie deren Positionierung.

Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Stator oder ein Rotor für eine elektri sche Maschine, welcher dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einer Wellen wicklung gemäß der vorangegangenen Beschreibung versehen ist sowie eine elektri sche Maschine, bei der eine Wellenwicklung nach der obigen Beschreibung vorgese hen ist.

Die Merkmale der Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert wer den.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 a & 1 b zeigen jeweils ein Teil eines Spulenelements in radialer Richtung gesehen.

Fig. 2a & 2b zeigen jeweils ein Teil eines Spulenelements in axialer Richtung gesehen.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich verschiedener Wendebereiche nebenei nander.

Fig. 4 stellt eine Spule mit einer Wellenwicklung in einer perspektivi schen Ansicht dar.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für ein Wickelschema für einen Spulenstrang.

Fig. 1 a und Fig. 1 b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Spulenelements (6), wobei lediglich ein Wendebereich W mit angrenzenden Leiterelementen (10) gezeigt ist. Wird das Spulenelement (6) als Hairpin ausgeführt schließen sich an die Lei terelemente (10) nicht dargestellte Kontaktberieche K an, wird das Spulenelement (6) als Wellenleiter ausgeführt, schließen sich an die Leiterelemente (10) entsprechend jeweils ein weiterer Wendebereich W oder ein Anschlusspin (5) an.

Sowohl in Fig. 1 a als auch in Fig. 1 b sind jeweils zwei parallel verlaufenden Leiterele mente (10) gezeigt, welche über einen Wendebereich W verbunden sind. Der Wen debereich W umfasst jeweils einen an die Leiterelemente (10) angrenzenden Über gang (9) sowie einen zwischen den Übergängen (9) angeordneten Verbindungsab schnitt (8). Im Übergang (9) ist jeweils eine Biegestelle (11 ; 11 ‘) vorgesehen. Der Verbindungsabschnitt (8) verläuft in der dargestellten Ebene, die ebenfalls durch die parallel verlaufenden Leiterelemente (10) aufgespannt wird, geradlinig.

Bei dem in Fig. 1 a dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Übergänge (9) je weils zwei Teilbiegestellen (11 ‘) auf, welche zusammen die Biegestelle (11 ) bilden, sowie einen dazwischenliegenden geraden Abschnitt auf.

Bei Fig. 1 b hingegen wird der Übergang (9) durch eine kontinuierlich verlaufende Bie gestelle (11 ) gebildet.

Fig. 2a und Fig. 2b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Spulenelements (6), aus einer axialen Richtung gesehen, womit die dargestellte Ebene senkrecht zu den Leiterelementen (10) verläuft.

Auch Fig. 2a und Fig. 2b zeigen einen prinzipiell gleichen Aufbau, wobei ebenfalls nur der Wendebereich W dargestellt ist. An den Verbindungsabschnitt (8) schließt sich an beiden Enden ein Übergang (9) an. Im Verbindungsabschnitt (8) sind zwei weitere Biegestellen (12) vorgesehen, welche gegenläufig gebogen sind. Durch die weiteren Biegestellen (12) wird ein Versatz im Verbindungsabschnitt (8) erreicht, mit welchem beispielsweise der Wechsel der Leiterelemente (10) zwischen verschiede nen Lagen der Nuten (3) vereinfacht wird. Die weiteren Biegestellen (12) teilen den Verbindungsabschnitt in zwei parallel verlaufende Bereiche. Es sind auch Ausführun gen möglich, bei denen die weiteren Biegestellen (12) nicht direkt aufeinander folgen, sondern durch einen weiteren Bereich des Verbindungsabschnitts (8) voneinander getrennt sind, wodurch ein größerer Versatz erreichbar ist.

Bei Fig. 2a verlaufen die Übergänge (9) sowie der Verbindungsabschnitt (8), abgese hen von den weiteren Biegestellen (12) in der dargestellten Ebene geradlinig.

Im Gegensatz zu Fig. 2a ist den Übergängen (9) sowie dem Verbindungsabschnitt (8) eine gemeinsame Krümmung überlagert, um deren Verlauf an den Durchmesser eines Spulenkörpers (2) anzupassen. Alternativ kann eine derartige Krümmung auch nur an den Übergängen (9) oder dem Verbindungsabschnitt (8) vorgesehen sein.

Die Figuren 1 a, 1 b, 2a und 2b sind jeweils mit einem symmetrischen Aufbau darge stellt. Es sind allerdings auch Ausführungsformen möglich, welche nicht symmetrisch sind und beispielsweise die Übergänge (9) nicht gleichartig ausgebildet sind oder die weiteren Biegestellen (12) nicht mittig am Verbindungsabschnitt (8) vorgesehen sind.

In Fig. 3 sind drei Spulenkörper (2) mit Wellenwicklungen als Vergleichsbeispiele ne beneinander dargestellt. Die Wellenwicklungen weisen hierbei ein gleiches Wickel schema auf. Der Unterschied liegt darin, dass die axial weiter über den Spulenkörper (2) vorstehenden Spulenelemente (6‘) anders ausgeführt sind. Wie deutlich erkenn bar benötigt das rechte Vergleichsbeispiel mit Spulenelementen gemäß einer erfin dungsgemäßen Ausführung weniger Bauraum in axialer Richtung. Somit kann die Spule in axialer Richtung kompakter ausgebildet werden beziehungsweise benötigt weniger Raum.

Fig. 4 zeigt einen Spulenkörper mit einer Wellenwicklung (1 ) gemäß dem linken Ver gleichsbeispiel gemäß Fig. 3, hier als Stator. Wie auch in Fig. 3 gezeigt, ist eine fol gend beschriebene Wellenwicklung ebenfalls mit erfindungsgemäßen Spulenelemen ten (6, 6‘) ausbildbar. Der Stator weist einen Spulenkörper (2) auf, in dem Nuten (3) zur Aufnahme der Wellenwicklung ausgebildet sind. In die Nuten (3) sind Leiterele mente (10) im dargestellten Beispiel im Rahmen von Flairpins (6, 6’) eingebracht, wo bei pro Nut (3) mehrere Leiterelemente (10) in Lagen eingebracht sind. Die Hairpins (6, 6’) des dargestellten Beispiels umfassen jeweils zwei Leiterelemente (10), einen Wendebereich W, in dem die Leiterelemente (10) einstückig miteinander verbunden sind, sowie Kontaktbereiche K an den Enden des Hairpins (6, 6’). Die Hairpins (6, 6’) sind abgesehen von den jeweils ersten und letzten Hairpins (6, 6’) der einzelnen Spulenstränge in ihren Kontaktbereichen K mit zwei Kontaktpins (4) ausge führt, die jeweils mit dem im Spulenstrang benachbarten Hairpin (6, 6’), genauer sei nem entsprechenden Kontaktpin (4) elektrisch leitend verbunden sind. Der jeweils erste und letzte Hairpin (6, 6’) eines Spulenstrangs weist einen Kontaktpin (4) zur Verbindung mit dem benachbarten Hairpin (6, 6’) des Spulenstrangs sowie einen An schlusspin (5) zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Leistungselektronik auf.

Um eine gegenseitige Kontaktierung zu ermöglichen, sind alle Kontaktpins (4) der Wellenwicklung auf der gleichen axialen Seite des Spulenkörpers (2) angeordnet, wodurch entsprechend die Wendebereiche W der Hairpins (6, 6’) auf der entgegen gesetzten axialen Seite des Spulenkörpers (1) angeordnet sind.

Auf der Seite der Wendebereiche W bildet sich ein gleichmäßiges Muster mit parallel verlaufenden Wendebereichen W mit einem verkürzten Wickelschritt WK aus, welche jeweils von einem Wendebereich W mit verlängertem Wickelschritt WL überspannt werden. Es sind jeweils ein der Lochzahl q minus eins entsprechende Anzahl von Hairpins (6) der ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt WK und ein Hairpin (6‘) der zweiten Variante mit verlängertem Wickelschritt WL pro Pol benachbart vorgese hen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Lochzahl von drei somit zwei Hairpins (6) der ersten Variante und ein Hairpin (6‘) der zweiten Variante. Durch die Hairpins (6) der ersten Variante findet stets ein Wechsel von der rechten Nut (3) auf eine mittlere Nut (3) beziehungsweise von einer mittleren Nut (3) auf eine linke Nut (3) der benachbarten Lage statt. Mit dem Hairpin (6‘) der zweiten Variante wird stets zwischen einer linken Nut (3) und einer rechten Nut (3) der benachbarten Lage ge wechselt.

Fig. 5 zeigt ein Wickelschema für einen ersten Spulenstrang analog zu einem in Fig.

4 dargestellten Beispiel mit einer Lochzahl von drei, wobei ein Ausführungsbeispiel mit 54 Nuten (3) gezeigt ist. Es ist eine Abwicklung der Nuten (3) mit einer Darstellung der hier acht Lagen, und somit vier Doppellagen, je Nut (3) gezeigt. Es sind allerdings auch eine andere An zahl von Nuten (3) oder Lagen, wie beispielsweise den sechs Lagen in Fig. 4, mög lich.

In den Lagen sind jeweils nur die Leiterelemente der Hairpins (6, 6‘) für parallele Teil stränge eines Pols in den jeweils drei Nuten (3) pro Pol dargestellt und derart num meriert, dass die Nummer jeweils einen Buchstaben für den Teilstrang und eine zweistellige Zahl umfasst. Mit Groß- und Kleinbuchstaben sind jeweils die beiden Lei terelemente des jeweiligen Hairpin (6, 6‘) unterschieden. Bei der zweistelligen Zahl zeigt die erste Zahl jeweils die Doppellage an, in welcher der Hairpin (6, 6‘) angeord net ist, und die zweite Zahl steht für eine fortlaufende Durchnummerierung der Hair pins (6, 6‘) in Stromflussrichtung in dieser Doppellage. Die den Anschlusspins (5) be nachbarten Leiterelemente oder anders ausgedrückt, die entsprechenden ersten und letzten Leiterelemente der Spulenstränge sind mit Pfeilen markiert, wobei die Pfeile zur Differenzierung der unterschiedlichen Stränge mit durchgezogenen Linien, gestri chelten Linien beziehungsweise Punkt-Linien dargestellt sind.

Die Anschlusspins (5) der einzelnen Spulenstränge sind im dargestellten Beispiel je weils in der radial äußeren Lage der Wellenwicklung vorgesehen und die Anschluss pins (5) der parallelen Spulenstränge sind jeweils im gleichen Pol angeordnet. Auf grund der Anordnung in der radial äußeren Lage kann ein Anschluss an die Leis tungselektronik in radialer Richtung erfolgen, wodurch kein oder nur minimaler Bau raum in axialer Richtung benötigt wird. Durch die Anordnung im gleichen Pol sind die Anschlusspins (5) für die Kathode und die Anode jeweils direkt benachbart angeord net. Die Anschlusspins (5) der parallelen Spulenstränge für die Kathode sowie die Anode sind in Umfangsrichtung einen Pol des Spulenstrangs versetzt angeordnet. Durch diese Ausbildung wird für den Anschluss an die Leistungselektronik nur ein ge ringer Bereich des Umfangs benötigt.

Durch die Wendebereiche W erfolgt, über den Umfang verteilt, im dargestellten Bei spiel jeweils ein Wechsel von einer linken Nut (3) zu einer rechten Nut (3), indem ein Hairpin (6‘) der zweiten Variante mit einem verlängerten Wickelschritt WL vorgese hen ist. Im weiteren Teilstrang des jeweiligen Spulenstrangs sind im gezeigten Aus führungsbeispiel zwei Hairpins (6) der ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt WK vorgesehen, um von einer rechten in eine mittlere Nut (3) beziehungsweise von einer mittleren in eine linke Nut (3) zu wechseln. Im dargestellten Beispiel sind nur Hairpins (6, 6‘) der ersten und zweiten Variante vorgesehen. Hierdurch wird ein ho her Grad an Symmetrie erreicht, was die Verluste verringert. Abhängig von der An zahl der Pole und dergleichen ist auch eine andere Verteilung der Hairpins (6, 6‘) un terschiedlicher Varianten über den Umfang möglich, wobei auch Hairpins einer drit ten Variante mit einem Standard-Wickelschritt WS mit vorgesehen werden können.

Die Spulenstränge durchlaufen, wie in Fig. 5 dargestellt, mit dem ersten Teilstrang jeweils zunächst die radial äußere Doppellage. Der erste Teilstrang geht durch eine entsprechende Verbindung der Kontaktpins (4) in den zweiten Teilstrang über, wel cher in gleicher Richtung der Wicklung analog zum ersten Teilstrang durch die nächste Doppellage verläuft. Dieser Übergang zwischen den Doppellagen ist in Fig.

5 exemplarisch mit einem Pfeil mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutet. In dieser Weise werden zunächst die Nuten (3) der Doppellagen mit einer gleichen Richtung der Wicklung von radial außen nach radial innen durchlaufen.

Am letzten Kontaktpin (4) des, hier vierten, Teilstrangs in der radial inneren Lage wird jeweils durch ein Brückenelement (7) die elektrisch leitende Verbindung mit dem ers ten Kontaktpin (4) des hier fünften Teilstrangs hergestellt.

Bei dieser Verbindung über das Brückenelement findet eine Umkehrung der Rich tung der Wicklung statt. Im dargestellten Beispiel wird durch das Brückenelement (7) ein dem Standard-Wickelschritt WS entsprechender Wickelschritt vorgenommen. Alternativ sind auch Brückenelemente (7) mit unterschiedlichen zum Beispiel dem verlängerten beziehungsweise verkürzten Wickelschritt entsprechenden Wickelschrit ten möglich, um beim Übergang zwischen den Teilsträngen zwischen den Nuten (3) zu wechseln.

Auch ist alternativ zu einem separaten Brückenelement (7) möglich, dass die ent sprechenden letzten oder ersten Kontaktpins (4) in radialer Richtung in eine ge dachte weitere Lage umgeformt werden und diese in eine der ursprünglichen Lage entgegengesetzte Umfangsrichtung umgeformt werden, um mit dem entsprechenden Kontaktpin (4) direkt, in Art der weiteren Kontaktpins (4), beispielsweise mittels schweißen, verbunden zu werden.

Der hier fünfte Teilstrang, welcher in entgegengesetzter Richtung die Nuten in der ra dial inneren Doppellage durchläuft, geht anschließend in den sechsten Teilstrang über, welcher in der benachbarten Doppellage ebenfalls die Nuten (3) durchläuft. Dieser Übergang ist ebenfalls exemplarisch einmal mit einem Pfeil mit einer Strich- Punkt-Linie angedeutet. Die bis zur radial äußeren Lage zurücklaufenden Teilstränge weisen einen analogen Aufbau zu den vorgenannten Teilsträngen auf. Der letzte Hairpin des hier achten Teilstrangs weist an seinem Ende, welches auch das Ende des Spulenstrangs dargestellt, entsprechend den Anschlusspin (5) zum Anschluss an die Leistungselektronik auf.

Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen Anschlusspins (5) an der radial innenliegenden Lage vorgesehen sind oder auch Ausführungsformen bei denen so wohl an der radial äußeren als auch an der radial inneren Lage Anschlusspins (5) vorgesehen sind.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführung eingeschränkt. Es können wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen werden.

Bezuqszeichen

1 Spulenkörper mit Wicklung

2 Spulenkörper

3 Nut

4 Kontaktpin

5 Anschlusspin

6, 6‘ Spulenelement / Hairpin

7 Brückenelemente

8 Verbindungsabschnitt

9 Übergang

10 Leiterelement

11 Biegestelle

11 ‘ Teilbiegestelle

12 weitere Biegestelle

K Kontaktbereich

W Wendebereich

WL Wendebereich mit verlängertem Wickelschritt

WK Wendebereich mit verkürztem Wickelschritt




 
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