Titel

Komponente einer elektrischen Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere Rotor oder Stator, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine aus der US 2017/0264175 Al bekannt, mit einem um eine Rotorachse drehbaren Rotorkörper, der mehrere Schenkelpole und zwischen den Schenkelpolen gebildete Nuten aufweist, wobei in jeder der Nuten jeweils elektrische Leiter zweier benachbarter Einzelspulen einer elektrischen Wicklung angeordnet sind. Die Fertigung von herkömmlichen elektrischen Wicklungen ist vergleichsweise aufwendig, da sie einen Wickelprozess zum Wickeln der Einzelspulen umfasst. Außerdem wird weiterhin versucht, den Kupferfüllfaktor in den Nuten weiter zu erhöhen.

Es sind schon Pultrusionsprofile aus der EP 3 283 279 Bl bekannt, mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform, hergestellt mittels eines Pultrusionsverfahrens, umfassend mehrere faserförmige Stränge und ein die Stränge einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Komponente einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung der elektrischen Wicklung vereinfacht wird, indem in den Nuten jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile eingesteckt sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter ausgebildete Leiterstränge, insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen, und ein die Leiterstränge einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial, insbesondere eine ausgehärtete duroplastische Formmasse, umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten des Komponentenkörpers hindurch erstrecken. Die Leiterstränge von Pultrusionsprofilen aus unterschiedlichen Nuten sind erfindungsgemäß mittels von Verbindungsleitern derart miteinander verbunden, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung gebildet ist. Besonders einfach ist die Herstellung der elektrischen Wicklung, wenn in jeder der Nuten der Komponente nur ein Pultrusionsprofil vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäßen Pultrusionsprofile werden mittels des bekannten Pultrusionsverfahrens in einer Pultrusionseinrichtung hergestellt, wobei das Pultrusionsverfahren ein Endlos-Pultrusionsprofil erzeugt, das eine bestimmte Querschnittsform aufweist und durch einen Trennprozess in die erfindungsgemäßen Pultrusionsprofile getrennt wird. Erfindungsgemäß werden die Pultrusionsprofile zur Herstellung einer elektrischen Wicklung einer elektrischen Maschine verwendet, indem die Stränge der Pultrusionsprofile als elektrisch leitende Leiterstränge ausgebildet werden und im Wickelkopf zur Bildung der elektrischen Wicklung entsprechend elektrisch verbunden werden. Während bei einer konventionellen Steckwicklung, die nachträglich in einem diskontinuierlichen Prozess in einer elektrisch isolierenden Gießmasse eingebettet wird, Lufteinschlüsse zwischen den Leiterelementen entstehen können, kann dies bei dem kontinuierlichen Pultrusionsverfahren aufgrund einer luftdicht abgeschlossenen Werkzeugeinheit der Pultrusionseinrichtung vermieden werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Komponente einer elektrischen Maschine möglich.

Sehr vorteilhaft ist, wenn die Leiterstränge jedes der Pultrusionsprofile gegeneinander elektrisch isoliert sind durch Vorsehen jeweils eines Abstandes zwischen den Leitersträngen, wobei der durch den Abstand gebildete Zwischenraum zwischen den Leitersträngen jeweils mit dem Matrixmaterial des Pultrusionsprofils ausgefüllt ist, wobei die eingebetteten Leiterstränge der Pultrusionsprofile und/oder die Verbindungsleiter insbesondere ohne Isolationsbeschichtung ausgebildet sind. Auf diese Weise können zum einen die herkömmlich in den Nuten eingesetzten Isolationspapiere zur elektrischen Isolation der elektrischen Wicklung gegenüber der Komponente, beispielsweise ein Blechpaket eines Stators oder Rotors, entfallen. Zum anderen kann auf die empfindliche herkömmliche Isolationsbeschichtung bzw. Lackisolation der elektrischen Leiter verzichtet werden, so dass die Materialkosten für die elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung erheblich verringert werden können und der Ausschuss bei der Produktion der Komponente gesenkt werden kann. Der Abstand zwischen den Leitersträngen im jeweiligen Pultrusionsprofil kann durch das Einbringen von elektrisch isolierenden Zuschlagsstoffen in Form von beispielsweise Stapel- oder Endlosfasern, Textilien oder textilen Flächengebilden oder in Form eines Pulvers oder Granulates eingestellt werden. Auf diese Weise können auch -je nach Art und Form des Zuschlagsstoffes- die Werkstoffeigenschaften des Matrixmaterials gezielt eingestellt werden. Hierzu zählen u.a. die thermische Leitfähigkeit zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus den Leitersträngen des Pultrusionsprofils heraus, die mechanischen Eigenschaften zur Verbesserung der Drehzahlfestigkeit und der thermische Ausdehnungskoeffizient zur Verbesserung der Verbundhaftung bei thermischer Ausdehnung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Querschnittsform der Pultrusionsprofile zwei den Zähnen der jeweiligen Nut zugewandte Profilseiten aufweist, wobei die Leiterstränge im jeweiligen Pultrusionsprofil in einer oder mehreren Stapelanordnungen angeordnet sind, wobei die Stapelanordnung sich in Richtung einer der Profilseiten oder in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse der Komponente erstreckt. Durch die Stapelanordnung wird ein möglichst hoher Kupferfüllfaktor in der jeweiligen Nut der Komponente erreicht.

Besonders vorteilhaft ist, wenn jeweils ein einziges Pultrusionsprofil in den Nuten vorgesehen und der Querschnitt der Pultrusionsprofile korrespondierend zum Querschnitt der Nuten ausgebildet ist oder dass jeweils mehrere Pultrusionsprofile in den Nuten angeordnet sind und der gemeinsame Querschnitt der in derselben Nut angeordneten Pultrusionsprofile korrespondierend zum Querschnitt der jeweiligen Nut ausgebildet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Nuten der Komponente jeweils durch ein einziges Pultrusionsprofil oder durch mehrere Pultrusionsprofile voll ausgefüllt werden.

Auch vorteilhaft ist, wenn die Zähne der Komponente in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse gesehen jeweils an ihrem freien Ende einen beidseitig auskragenden Zahnkopf aufweisen und dass die Pultrusionsprofile der Komponente jeweils formschlüssig in der jeweiligen Nut aufgenommen und im Zusammenwirken mit den entsprechenden Zahnköpfen in der jeweiligen Nut gehalten sind. Auf diese Weise wird eine einfache Fixierung der Pultrusionsprofile in den Nuten der Komponente erreicht. Bei Rotoren wird insbesondere eine hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors erzielt.

Des weiteren vorteilhaft ist, wenn in dem Pultrusionsprofil zumindest ein Kühlkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine effektive Kühlung der Leiterstränge des jeweiligen Pultrusionsprofils erreicht werden.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Leiterstränge der Pultrusionsprofile und die Verbindungsleiter stabförmig ausgebildet sind und jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt aufweisen und die Verbindungsleiter jeweils quer zur Längserstreckung des jeweiligen Pultrusionsprofils an das stirnseitige Ende des jeweiligen Leiterstrangs angefügt sind und an den beiden Stirnseiten der Komponente jeweils einen Wickelkopf bilden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass beim Fügen der elektrischen Leiter jeweils der gesamte Leiterquerschnitt jedes Leiterstrangs mit dem zugeordneten Verbindungsleiter kontaktiert wird, so dass zusätzliche ohmsche Verluste vermieden werden. Außerdem wird ein radienfreier bzw. biegungsfreier Übergang zwischen den Leitersträngen des jeweiligen Pultrusionsprofils und den entsprechenden Verbindungsleitern und dadurch ein in axialer Richtung bezüglich der Komponentenachse sehr kurz ausgeführter Wickelkopf der elektrischen Wicklung erreicht, so dass eine entsprechend kurze axiale Baulänge der elektrischen Maschine erzielbar ist. Der Leiterquerschnitt der Verbindungsleiter und der Leiterquerschnitt der Leiterstränge der Pultrusionsprofile kann gleich groß oder unterschiedlich groß ausgebildet sein.

Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn an den beiden Stirnseiten der Komponente jeweils eine Wickelkopfeinheit vorgesehen ist, die alle Verbindungsleiter des jeweiligen Wickelkopfes umfasst und zum Fügen der Leiterstränge der Pultrusionsprofile mit den entsprechenden Verbindungsleitern ausgebildet ist, insbesondere zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer oder aller Fügeverbindungen. Auf diese Weise kann die elektrische Wicklung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Komponente der elektrischen Maschine ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, dessen Zähne Schenkelpole sind, wobei die demselben Schenkelpol zugewandten Leiterstränge zweier benachbarter Pultrusionsprofile jeweils mittels der Verbindungsleiter zu einer Einzelspule verbunden sind und wobei Verbindungsleiter vorgesehen sind, die die Einzelspulen zur Bildung der elektrischen Wicklung des Rotors miteinander elektrisch verbinden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig.l zeigt eine Teilansicht einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine mit in Nuten des Rotors angeordneten Pultrusionsprofilen gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig.2 eine dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach Fig.l,

Fig.3 eine weitere dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach Fig.l mit Blick auf die andere Stirnseite des Rotors,

Fig.4 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach Fig.l mit einem im

Schnitt dargestellten Pultrusionsprofil gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig.5 eine dreidimensionale Schnittansicht des Pultrusionsprofils nach Fig.4.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.l zeigt eine Teilansicht einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine mit in Nuten des Rotors angeordneten Pultrusionsprofilen gemäß einer ersten Ausführungsform.

Die Erfindung betrifft eine Komponente 1 einer elektrischen Maschine, beispielsweise einen Rotor oder einen Stator der elektrischen Maschine. Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig.l ist die Komponente 1 ein Rotor. Die Erfindung kann jedoch ausdrücklich auch an einem Stator vorgesehen sein.

Die Komponente 1 hat einen Komponentenkörper 2, beispielsweise ein Blechpaket, der mehrere Zähne 3 und zwischen den Zähnen 3 gebildete Nuten 4 aufweist sowie eine Komponentenachse 5 umfasst. In mehreren oder allen Nuten 4 des Komponentenkörpers 2 sind elektrische Leiter 6 einer elektrischen Wicklung 7 angeordnet.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Nuten 4 des Komponentenkörpers 2 jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile 10 angeordnet sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter 6 ausgebildete Leiterstränge 11 und ein die Leiterstränge 11 einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial 12 umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten 4 des Komponentenkörpers 2 hindurch erstrecken und jeweils beidseitig aus der jeweiligen Nut 4 herausstehen. Alternativ könnten die Pultrusionsprofile 10 jeweils bündig an der jeweiligen Stirnseite des Komponentenkörpers 2 abschließen. Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pultrusionsprofils 10 ist in Fig.5 dargestellt. Die Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 sind beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen hergestellt. Das Matrixmaterial 12 kann beispielsweise ein sogenanntes duroplastisches oder thermoplastisches Matrixsystem sein. Außerdem kann das Matrixmaterial 12 Mittel zur Einstellung der Materialeigenschaften bezüglich Festigkeit, Wärmeleitung oder thermischer Ausdehnung enthalten, beispielsweise entsprechende Fasern, textile Flächen oder Pulver bzw. Granulate.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterstränge 11 von Pultrusionsprofilen 10 aus unterschiedlichen Nuten 4 mittels von Verbindungsleitern 15 derart miteinander verbunden sind, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung 7 gebildet ist.

Nach dem Ausführungsbeispiel ist die Komponente 1 ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, dessen Zähne 3 Schenkelpole sind, wobei die demselben Schenkelpol 3 zugewandten Leiterstränge 11 zweier benachbarter Pultrusionsprofile 10 jeweils mittels der Verbindungsleiter 15 zu einer Einzelspule verbunden sind. Außerdem sind weitere Verbindungsleiter 14 vorgesehen, die die Einzelspulen zur Bildung der elektrischen Wicklung 7 des Rotors 1 miteinander elektrisch verbinden. Beispielsweise sind alle weiteren Verbindungsleiter 14 auf einer der beiden Stirnseiten des Rotors 1 vorgesehen.

Die Leiterstränge 11 jedes einzelnen der Pultrusionsprofile 10 sind gegeneinander elektrisch isoliert durch Vorsehen jeweils eines Abstandes A zwischen den Leitersträngen 11. Der durch den Abstand A gebildete Zwischenraum zwischen den Leitersträngen 11 ist jeweils mit dem Matrixmaterial 12 des Pultrusionsprofils 10 ausgefüllt. Die eingebetteten Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 und/oder die Verbindungsleiter 15 können dadurch ohne die sonst übliche Isolationsbeschichtung ausgebildet sein.

Die Querschnittsform der Pultrusionsprofile 10 weist jeweils zwei Profilseiten 20 auf, die den Zähnen 3 der jeweiligen Nut 4 zugewandt sind. Die Leiterstränge 11 im jeweiligen Pultrusionsprofil 10 sind beispielsweise in einer oder mehreren Stapelanordnungen 16 angeordnet, wobei die Stapelanordnung 16 sich jeweils in Richtung einer der Profilseiten 20 oder in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse 5 der Komponente 1 erstreckt. Nach dem Ausführungsbeispiel sind in jedem Pultrusionsprofil 10 zwei Stapelanordnungen 16 vorgesehen, wobei die eine Stapelanordnung 16 eine Spulenseite einer der Einzelspulen und die andere Stapelanordnung eine Spulenseite der jeweils benachbarten Einzelspule bildet.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeweils ein einziges Pultrusionsprofil 10 in den Nuten 4 vorgesehen und der Querschnitt der Pultrusionsprofile 10 korrespondierend zum Querschnitt der Nuten 4 ausgebildet. Alternativ können aber auch jeweils mehrere Pultrusionsprofile 10 in den einzelnen Nuten 4 angeordnet und der gemeinsame Querschnitt der in derselben Nut 4 angeordneten Pultrusionsprofile 10 korrespondierend zum Querschnitt der jeweiligen Nut 4 ausgebildet sein. Die Zähne 3 der Komponente 1 haben in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse 5 gesehen jeweils an ihrem freien Ende einen beidseitig auskragenden Zahnkopf 17. Aufgrund ihrer Querschnittsform sind die Pultrusionsprofile 10 der Komponente 1 jeweils formschlüssig in der jeweiligen Nut aufgenommen und im Zusammenwirken mit den entsprechenden Zahnköpfen 17 in der jeweiligen Nut 4 gehalten bzw. fixiert.

Die Leiterstränge 11 jedes Pultrusionsprofils 10 sind gemäß einer in den Fig.l bis Fig.3 gezeigten ersten Ausführungsform des Pultrusionsprofils 10 identisch ausgebildet, haben also den gleichen Leiterquerschnitt und dieselbe Querschnittsform.

In den Pultrusionsprofilen 10 kann jeweils zumindest ein Kühlkanal 18 zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgebildet sein, um die Leiterstränge 11 jedes Pultrusionsprofils effektiv zu kühlen. Nach einer vorteilhaften Ausführung kann an einer der beiden Stirnseiten eines Rotors der elektrischen Maschine ein nicht dargestelltes deckelförmiges Fluidleitelement angeordnet und befestigt sein, mit dem Kühlflüssigkeit aus einem Kühlkanal einer nicht dargestellten Rotorwelle des Rotors 1 aufgefangen und in die Kühlkanäle 18 der Pultrusionsprofile 10 leitbar ist.

Fig.2 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach Fig.l.

Die Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 und die Verbindungsleiter 15 sind jeweils stabförmig bzw. geradschenklig ausgebildet und weisen jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt auf. Die Verbindungsleiter 15 sind jeweils quer zur Längserstreckung des jeweiligen Pultrusionsprofils 10 an das Stirnseite Ende des jeweiligen Leiterstrangs 11 angefügt und bilden an den beiden Stirnseiten der Komponente 1 jeweils einen Wickelkopf. Die Verbindungsleiter 15 können zur Verbindung mit den entsprechenden Leitersträngen 11 und/oder zur Erzielung einer hohen Drehzahlfestigkeit auch gewinkelt oder gebogen geformt sein.

Die Verbindungsleiter 15 können beispielsweise durch Laserbonden oder Tiefschweißen mit dem entsprechenden Leiterstrang 11 gefügt sein, indem der Laserstrahl jeweils von einer dem Leiterstrang 11 abgewandten Seite in den Verbindungsleiter 15 eingestrahlt wird.

Die Verbindungsleiter 15 können zur elektrischen Isolation und/oder zur mechanischen Verstärkung der Wickelköpfe in einer an der jeweiligen Stirnseite der Komponente 1 vorgesehenen elektrischen Isolationsmasse 21 eingebettet sind.

An den beiden Stirnseiten der Komponente 1 kann jeweils eine nicht dargestellte Wickelkopfeinheit vorgesehen sein, die alle Verbindungsleiter 15 des jeweiligen Wickelkopfes umfasst und zum Fügen der Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 mit den entsprechenden Verbindungsleitern 15 ausgebildet ist, insbesondere zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer oder aller an der jeweiligen Stirnseite vorgesehenen Fügeverbindungen. Auf diese Weise sind alle Verbindungsleiter 15 jedes Wickelkopfes zu einer der Wickelkopfeinheiten zusammengefasst.

Fig.3 zeigt eine weitere dreidimensionale Schnittansicht des Rotors 1 nach Fig.l mit Blick auf die andere Stirnseite des Rotors 1. Fig.4 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach Fig.l mit einem Pultrusionsprofil gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Das Pultrusionsprofil 10 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber der ersten Ausführungsform ausschließlich darin, dass es Leiterstränge 11 mit unterschiedlichem Leiterquerschnitt aufweist. Mittels der zweiten Ausführungsform kann ein gegenüber der ersten Ausführungsform höherer Kupferfüllfaktor in den Nuten 4 der Komponente 1 erreicht werden. Fig.5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Pultrusionsprofils nach Fig.4.

Das erfindungsgemäße Pultrusionsprofil 10 wird mittels eines Pultrusionsverfahrens in einer Pultrusionseinrichtung hergestellt, wobei das Pultrusionsverfahren ein Endlos- Pultrusionsprofil erzeugt, das eine bestimmte Querschnittsform aufweist und durch einen Trennprozess in die Pultrusionsprofile 10 mit der richtigen Länge geteilt wird.

Das Endlos-Pultrusionsprofil umfasst mehrere Stränge und ein die Stränge einbettendes Matrixmaterial 12. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stränge als elektrisch leitende Leiterstränge 11 ausgebildet sind und in der Pultrusionseinrichtung in bestimmten Abständen und auf einer bestimmten Länge durch eine in der Pultrusionseinrichtung eingerichtete Abdichtung der Leiterstränge 11 nicht mit Matrixmaterial 12 imprägniert werden, um beim Trennprozess automatisch Pultrusionsprofile 10 zu erhalten, die an ihren Enden elektrisch nicht isolierte Enden von Leitersträngen 11 aufweisen.