WICKELANORDNUNG, VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DER WICKELANORDNUNG

UND ELEKTRISCHE MASCHINE

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Wickelanordnung für eine mehrphasige elektrische Drehstrommaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die

Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Wickelanordnung sowie eine elektrische Maschine, mit einer erfindungsgemäßen Wickelanordnung.

Eine Wickelanordnung für eine mehrphasige elektrische Maschine mit den

Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus dem DE 92 12 889 U1 bekannt. Die bekannte Wickelanordnung zeichnet sich durch einen Statornuten aufweisenden Stator aus, bei dem aus einem Spulendraht bestehende Spulen in den Statornuten eine Zweischichtwicklung bilden. Dabei sind die Spulen derart in den Statornuten angeordnet, dass beide Spulenseiten der Spule entweder einer Unterschicht oder einer Oberschicht zuordnenbar sind. Mit anderen Worten ausgedrückt sind die Spulen in den Statornuten in zwei unabhängigen, direkt aufeinanderliegenden Schichten jeweils entsprechend einer Einschichtwicklung angeordnet. Die Wickelanordnung aus der genannten Schrift ermöglicht es, bei der Herstellung zunächst die Unterschicht durch beidseitiges Einlegen der

Spulen in die Statornuten vollständig zu bilden, worauf anschließend die

Oberschicht direkt auf die Unterschicht durch beidseitiges Einlegen der Spulen gebildet wird. Werden die Spulen dann geeignet miteinander verschaltet, kann der Feldverlauf einer beliebig gesehnten Zweischichtwicklung

(Bruchlochwicklung) im Luftspalt der elektrischen Maschine nachgebildet werden. Dazu sind die Spulen der Unterschicht in Umfangsrichtung zu den Spulen der

Oberschicht um eine feste Nutenanzahl versetzt angeordnet. Zudem weisen die Spulen in der Unterschicht und der Oberschicht jeweils die gleiche Spulenbreite auf. Die Spulen werden von dem Spulendraht ausgebildet, der an der Stirnseite des Stators entsprechend der Spulenbreite beide in Statornuten eingelegte

Spulenseiten miteinander verbindet und dabei an den Stirnseiten des Stators einen Wickelkopf ausbildet. Der Spulendraht im Wickelkopf trägt nicht zum Feldverlauf im Luftspalt der elektrischen Maschine bei, führt jedoch zu ohmschen Verlusten und hat somit einen negativen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad. Daneben verlängern große Wickelköpfe zudem die Längserstreckung des Stators, was eine längere Rotorlängserstreckung zur Folge hat. Neben einer größeren Masse der elektrischen Maschine wirkt sich ein längerer Rotor auch negativ auf die Laufruhe der elektrischen Maschine aus.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Wickelanordnung für eine mehrphasige

Drehstrommaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Feldverlauf wie bei einer Zweischicht-Bruchlochwicklung mit 2/3-Sehnung und Spulen gleicher Spulenweite erzeugbar ist, wobei die Länge des

Spulendrahts im Wickelkopf im Vergleich zu dem eingangs erwähnten Stand der Technik verkürzt werden kann. Mit anderen Worten gesagt erlaubt die erfindungsgemäße Wickelanordnung bei reduziertem Materialaufwand einen Feldverlauf, der zu einem geringerem Oberwellenanteil in der Spannungskurve der elektrischen Maschine führt. Neben geringeren Materialkosten bringt dies den Vorteil eines höheren Gesamtwirkungsgrads mit sich, da die ohmschen Verluste aufgrund des kürzeren Spulendrahts verringert werden. Ferner lässt sich die Längserstreckung einer elektrischen Maschine durch einen kleineren Wickelkopf verringern, was sich zusätzlich positiv auf die Laufruhe der elektrischen Maschine und deren Gewicht auswirkt.

Die erfindungsgemäße Wickelanordnung für eine mehrphasige

Drehstrommaschine, insbesondere Asynchronmaschine oder

Synchronmaschine, umfasst hierzu einen Statornuten aufweisenden Stator, wobei in den Statornuten wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite

Spule derart angeordnet sind, dass die Spulen jeweils eine eigenständige Ober- und eine Unterschicht ausbilden. Dazu sind die Spulen mit beiden Spulenseiten in unterschiedlichen Statornuten eingelegt, wobei die beiden Spulenseiten der ersten Spule in der Unterschicht und die beiden Spulenseiten der zweiten Spule in der Oberschicht angeordnet sind. Die Unterschicht wird von wenigstens einer ersten Spule gebildet, wobei die Oberschicht auf der Unterschicht angeordnet ist und von wenigstens einer zweiten Spule gebildet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Spule und die zweite Spule derart angeordnet sind, dass bei einer in Umfangsrichtung abgewickelten Darstellung des Stators und der Spulen in einer Horizontalebene die erste und die zweite Spule symmetrisch zu einer in der Horizontalebene verlaufenden, senkrecht zur Abwicklungsrichtung angeordneten Symmetrieachse verläuft. Dabei weist die wenigstens eine Spule der Unterschicht eine erste Spulenweite W1 und die wenigstens eine Spule der Oberschicht eine zweite Spulenweite W2 auf, wobei sich beide Spulenweiten W1 , W2 unterscheiden. Die Spulenweite W1 , W2 wird dabei durch die Anzahl der Statornuten bestimmt, die zwischen den beiden Spulenseiten einer Spule liegt. Mit anderen Worten gesagt entspricht die

Spulenweite W1 , W2 einer Spule der Anzahl der Statornuten, die vom

Spulendraht an der Stirnseite des Stators, also im Wickelkopf, zurückgelegt wird, um die beiden in unterschiedlichen Statornuten angeordneten Spulenseiten miteinander zu verbinden. Die erfindungsgemäße Verwendung von Spulen mit kürzeren Spulenweiten W1 , W2 erlaubt es den Spulendraht im Wickelkopf zu verkürzen, da weniger Statornuten überbrückt werden müssen. Dies führt neben geringeren Materialkosten und einer geringeren Masse auch zu einem höheren elektrischen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, da die ohmschen Verluste in den Spulen aufgrund der kürzeren Spulendrahtlänge verringert werden. Ferner führen kleinere Wickelköpfe zu einer kleineren Längserstreckung der elektrischen Maschine, da die Radiallager eines Rotors der elektrischen Maschine aufgrund der kleineren Wickelköpfe näher zueinander angeordnet werden können. Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Wickelanordnung die Anzahl der

Herstellungsschritte zu reduzieren, wodurch sich mit wenigen technischen Maßnahmen eine vollautomatische Herstellung für eine großserientechnische Fertigung umsetzen lässt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Wickelanordnung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Eine bevorzugte Optimierung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Spule der Unterschicht und/oder der Oberschicht aus mehreren in einer gemeinsamen Statornut angeordneten Wicklungen des Spulendrahts besteht. Dies erlaubt eine vorteilhafte Dimensionierung und Auslegung der elektrischen Maschine im Hinblick auf Betriebsparameter, wie einer Versorgungsspannung und/oder einem zulässigen Maximalstrom sowie einem benötigten Drehmoment der elektrischen Maschine.

Weiterbildend ist es vorgesehen, dass die Spulen eine linke und eine rechte Spulenseite aufweisen, wobei die linken und die rechten Spulenseiten von mindestens zwei ersten Spulen in unmittelbar benachbarten Statornuten liegen und/oder die linken und die rechten Spulenseiten von mindestens zwei zweiten Spulen in unmittelbar benachbarten Statornuten angeordnet sind, und wobei die mindestens zwei ersten oder zweiten Spulen elektrisch leitend miteinander verbunden sind und gemeinsam eine Spulengruppe ausbilden. Dabei sind die zwei ersten und/oder die zwei zweiten Spulen auch symmetrisch zu der

Symmetrieachse angeordnet.

Eine weitere Optimierung der Erfindung sieht zudem vor, dass von mindestens einer ersten Spule und mindestens einer zweiten Spule, die symmetrisch zu der Symmetrieachse angeordnet sind, eine Einheit ausgebildet wird, wobei in Umfangsrichtung des Stators, bzw. in der in Umfangsrichtung abgerollten Darstellung des Stators mehrere Einheiten vorgesehen sind.

Weiterbildend sind mehrere Einheiten in einer elektrischen Phase der

mehrphasigen elektrischen Maschine derart elektrisch leitend miteinander verschaltet, dass ein Strom in den Spulenseiten von unmittelbar benachbarten Statornuten der elektrisch leitend verbundenen Einheiten in die gleiche Richtung fließt, wodurch sich synergistisch im Luftspalt der elektrischen Maschine ein homogener Feldverlauf ausbildet.

Eine weitere Optimierung der Erfindung sieht zudem vor, dass die Anzahl der Wicklungen des Spulendrahts der ersten Spule in der Unterschicht von der Anzahl der Wicklungen des Spulendrahtes der zweiten Spulen in der Oberschicht abweicht.

Dabei ist besonders bevorzugt, wenn der Unterschied der Anzahl der Wicklungen des Spulendrahtes in der Unter- und Oberschicht ein festes Verhältnis aufweist. Ganz besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Spulendraht der ersten Spule aus der Unterschicht (N+1 )/2 Wicklungen umfasst und der Spulendraht der zweiten Spule aus der Oberschicht (N-1 )/2 Wicklungen aufweist. Dabei ist N die

Gesamtzahl der Wicklungen pro Statornut.

Eine weite Optimierung der Erfindung sieht vor, dass der Stator insgesamt Ns Statornuten und eine Polpaarzahl p umfasst und der Quotient der Anzahl der Statornuten Ns durch die Polpaarzahl p sechs beträgt, wobei N _s ein ganzzahliges Vielfaches von zwölf ist. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Wickelsystems über den Umfang des Stators bei einem dreiphasigen System. Dabei drückt die Polpaarzahl p die Anzahl der Paare von magnetischen Polen (Nord- und Südpol) aus, die sich im Stator bei der Bestromung der Wicklungen ausbilden.

Auch umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer

erfindungsgemäßen Wickelanordnung, wobei das Verfahren mindestens aus folgenden Schritten besteht: Einlegen der wenigstens einen Spule einer ersten elektrischen Phase in die Statornuten des Stators zum Ausbilden von zumindest einem Teil der Unterschicht in einem ersten Schritt. Anschließend Einlegen der wenigstens einen Spule einer zweiten elektrischen Phase in die Statornuten des Stators zum Ausbilden von zumindest einem weiteren Teil der Unterschicht in einem zweiten Schritt. Anschließend folgt in einem dritten Schritt das Einlegen der Wicklungen einer dritten elektrischen Phase, wodurch die Unterschicht vervollständigt wird. Damit wurde in allen Statornuten eine Spule eingelegt. In einem vierten Schritt erfolgt das teilweise Ausbilden der Oberschicht, indem Spulen von allen drei elektrischen Phasen in die Statornuten eingelegt werden, wobei sich die Spulen der verschiedenen Phasen nicht überlappen dürfen. Aus diesem Grund erfolgt in Umfangsrichtung nur das Einlegen von jeder zweiten Spule oder mit anderen Worten gesagt das Einlegen der zweiten Spulen der ersten Einheiten von allen drei elektrischen Phasen. Die Oberschicht wird in einem fünften und letzten Schritt durch Einlegen der restlichen Spulen fertiggestellt. Nun nimmt jede Statornut eine erste Spule als Unterschicht und eine zweite Spule als Oberschicht auf. Ferner umfasst die Erfindung eine elektrische Maschine, in der eine

erfindungsgemäße Wickelanordnung verbaut ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.

Diese zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen

Wickelanordnung eines zwölf Statornuten aufweisenden Stators,

Fig. 2 eine schematische Darstellung nach Fig. 1 eines vierundzwanzig

Statornuten aufweisenden Stators, wobei in den Statornuten Spulengruppen eingelegt sind und

Fig. 3A

bis 3E eine schematische Darstellung von unterschiedlichen

Herstellungsschritten zur Ausbildung einer erfindungsgemäße Wickelanordnung.

In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wickelanordnung 3 eines zwölf Statornuten 2 aufweisenden Stators 1 einer ansonsten nicht gezeigten elektrischen Maschine 100. Zur Veranschaulichung der Wickelanordnung 3 sind der Stator 1 und die in den Statornuten 2 angeordneten Spulen 8A, 8B in einer in Umfangsrichtung abgewickelten Darstellung in einer Horizontalebene 1 1 gezeigt. Die durch das Abwickeln nebeneinander entlang der Horizontalebene 1 1 angeordneten Statornuten 2 sind in der Darstellung von links nach rechts durchnummeriert, wobei der ersten Statornut 2 im Diagramm die römische Ziffer I zugeordnet ist und die letzte, ganz rechts angeordnete Statornut 2 im Diagramm die römische Ziffer ΧΠ aufweist. Zur Ausbildung der Wickelanordnung 3 werden die Spulenseiten 6 der aus Spulendraht 7 gebildeten Spulen 8A, 8B in die Statornuten 2 derart eingelegt, dass beide Spulenseiten 6 der Spulen 8A, 8B entweder eine tiefer in der Statornut 2 liegende Unterschicht 9 oder eine unmittelbar auf der Unterschicht 9 angeordnete Oberschicht 10 ausbilden.

In der Fig. 1 ist die Wickelanordnung 3 für eine elektrische Phase einer dreiphasigen elektrischen Maschine 100 dargestellt. Die elektrischen Wicklungen 15 der ersten elektrischen Phase werden aus vier Spulen 8A, 8B gebildet, die in unterschiedlichen Statornuten 2 entweder in der Unterschicht 9 oder der Oberschicht 10 angeordnet und elektrisch leitend miteinander kontaktiert sind. Dabei wird ein Teil der Unterschicht 9 von der ersten Spule 8A ausgebildet, deren Spulenseiten 6 in den im Diagramm mit den römischen Ziffern I und VI bezeichneten Statornuten 2 eingelegt sind. Damit weist die erste Spule 8A eine Spulenweite W1 von fünf auf, wobei sich diese Angabe durch die Anzahl der Statornuten 2 ergibt, durch die beide Spulenseiten 6 der ersten Spule 8A voneinander beabstandet sind. Die erste Spule 8A ist spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse 17 angeordnet, wobei die Symmetrieachse 17 in der abgewickelten Darstellung nach Fig. 1 in der Horizontalebene 1 1 liegt und senkrecht zur Abwickelrichtung des Stators 1 verläuft und dabei mittig zwischen den im Diagramm mit den römischen Ziffern III und IV bezeichneten Statornuten 2 angeordnet ist und somit durch einen Statorzahn 18 verläuft. In den im Diagramm mit den römischen Ziffern II und V gekennzeichneten Statornuten 2 sind die Spulenseiten 6 einer zweiten Spule 8B angeordnet, wobei diese auf nicht dargestellten Spulen 8A, 8B der Unterschicht 9 von anderen Phasen angeordnet sind und somit einen Teil der Oberschicht 10 ausbilden. Auch diese Spule 8B ist spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse 17 angeordnet, weist jedoch im Gegensatz zu der ersten Spule 8A eine Spulenweite W2 von drei Statornuten 2 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Spule 8A der Unterschicht 9 elektrisch leitend mit der zweiten Spule 8B der Oberschicht 10 verbunden. Die erste Spule 8A und die zweite Spule 8B, die spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieachse 17 angeordnet sind, bilden eine erste Einheit 19A aus. Eine zweite Einheit 19B wird von einer ersten und einer zweiten Spule 8A, 8B gebildet, die entsprechend der ersten Einheit 19A in den im Diagramm mit den römischen Ziffern VII und ΧΠ sowie VI und XI bezeichneten Statornuten 2 angeordnet sind. Die Spulen 8A, 8B der zweiten Einheit 19B sind spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Symmetrieachse 17 der zweiten Einheit 19B angeordnet, die in der Darstellung nach Fig. 1 parallel zur Symmetrieachse 17 der ersten Einheit 19A verläuft. Zudem weisen die erste Spule 8A der ersten Einheit 19A und die erste Spule 8A der zweiten Einheit 18B die gleiche Spulenweite W1 auf. Auch weist die zweite Spule 8B der ersten Einheit 19A die gleiche Spulenweite W2 auf wie die zweite Spule 8B der zweiten Einheit 19B. Ferner sind die erste Spule 8A und die zweite Spule 8B der ersten Einheit 19A derart elektrisch leitend mit der ersten Spule 8A und der zweiten Spule 8B der zweiten Einheit 19B verbunden, dass der Strom in den Spulenseiten 6 in unmittelbar benachbart angeordneten Statornuten 2 in die gleiche Richtung fließt. Dies bedeutet, dass der Strom in den Spulenseiten 6 der der im Diagramm mit den römischen Ziffern V , VI, VE und VI bezeichneten Statornuten 2 entweder senkrecht in die Zeichenebene hinein oder senkrecht aus der Zeichenebene heraus fließt. Dabei kann die erste Einheit 19A mit der zweiten Einheit 19B entweder über eine serielle Verschaltung oder eine parallele Verschaltung miteinander elektrisch leitend kontaktiert sein. Demgegenüber sind die erste Spule 8A und die zweite Spule 8B einer Einheit 19 immer seriell miteinander elektrisch leitend verbunden.

Die Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung einer Wickelanordnung 3 einer Phase einer dreiphasigen elektrischen Maschine 100a eines vierundzwanzig Statornuten 2 umfassenden Stators 1 A. Auch hier bilden Spulen 8A, 8B der Unterschicht 9 und Oberschicht 10 eine erste Einheit 19A und eine zweite Einheiten 19B aus, wobei die Spulen 8A, 8B einer Einheit 19A, 19B wiederum spiegelsymmetrisch zu der jeweiligen Symmetrieachse 17 angeordnet sind. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten ersten Spule 8A besteht die erste Spule 8A der ersten Einheit 19A in Fig. 2 nicht nur aus einer Spule 8A, 8B, sondern wird aus zwei in der Unterschicht angeordneten Spulen 8A gebildet, wodurch eine Spulengruppe 16 von den in der gleichen Schicht 9 angeordneten Spulen 8A, 8B ausgebildet wird. Dabei sind die linken und die rechten Spulenseiten 6 beider Spulen 8A, 8B in unmittelbar benachbarten Statornuten 2 angeordnet. Auch in der Oberschicht 10 kann durch zwei Spulen 8B eine Spulengruppe 16

ausgebildet sein, indem auch hier die linken und die rechten Spulenseiten 6 der in der Oberschicht 10 angeordneten Spulen 8A, 8B in unmittelbar benachbarten Statornuten 2 angeordnet sind.

In der Fig. 3A bis 3E sind aufeinanderfolgende Herstellungsschritte dargestellt, die die Herstellung einer erfindungsgemäßen Wickelanordnung 3, für einen Stator 1 nach Fig. 1 aufzeigen.

Dabei wird in einem ersten Herstellungsschritt, wie es in der Fig. 3A dargestellt ist, die erste Spule 8A der ersten Einheit 19A und die erste Spule 8A der zweiten Einheit 19B einer ersten elektrischen Phase 12 in die Statornuten 2 eingelegt. In der Fig. 3B ist der zweite Herstellungsschritt dargestellt, bei dem die ersten Spulen 8A der ersten Einheit 19A und die erste Spule 8A der zweiten Einheit 19B einer zweiten elektrischen Phase 13 in die Statornuten 2 eingelegt werden. Die Fig. 3C zeigt den dritten Herstellungsschritt, bei dem die Unterschicht 9 durch Einlegen von zwei weiteren ersten Spulen 8A der ersten Einheit 19A und der zweiten Einheit 19B einer dritten elektrischen Phase 14 vervollständigt wird. Die Fig. 3D zeigt den nächsten Herstellungsschritt, bei dem die Oberschicht 10 teilweise ausgebildet wird, indem jeweils die zweite Spulen 8B der ersten Einheiten 19A von allen drei elektrischen Phasen 12, 13, 14 gleichzeitig in die Statornuten 2 eingelegt werden. Schließlich folgt der in Fig. 3E dargestellte letzte Herstellungsschritt, bei dem die erfindungsgemäße Wickelanordnung 3 durch das gleichzeitige Einlegen der zweiten Spulen 8B der zweiten Einheiten 19B von allen drei elektrischen Phasen 12, 13, 14 vollständig ausgebildet wird. Für einen Betrieb ist noch eine elektrische Kontaktierung der Spulen 8A, 8B jeder elektrischen Phase durch paralleles und/oder serielles Verschalten nötig.

Ergänzend wird erläutert, dass zusätzlich zu den dargestellten

Ausführungsformen die Wickelanordnung 3 auch anders ausgebildet sein kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.