Title:
Gießtechnisch hergestellte Spule
Kind Code:
A1
Abstract:

Die Erfindung betrifft eine gießtechnisch hergestellte Spule (103) zum Anordnen um wenigstens einen zum Führen eines magnetischen Felds vorbereiteten Zahn (186), wobei die Spule dazu vorbereitet ist, auf über den wenigstens einen Zahn (186) im Wesentlichen quer zum magnetischen Feld (M) und entlang wenigstens einer ersten (196) und einer zweiten (194), den wenigstens einen Zahn (186) zu weiteren Zähnen (182, 184) abgrenzender Nut aufgeschoben zu werden, und die Spule (103) einen ersten (112) und einen zweiten Wicklungsabschnitt (114) zum Anordnen in der wenigsten einen ersten (196) bzw. wenigstens einen zweiten Nut (194) aufweist und die Spule einen den ersten (112) und zweiten Wicklungsabschnitt (114) an jeweils einer Seite verbindenden ersten (122) und zweiten Wickelkopfabschnitt (124) zum Anordnen außerhalb der Nuten, wobei der erste Wickelkopfabschnitt (122) zu dem ersten (112) und zweiten Wicklungsabschnitt (114) so verlagert, ist, dass er beim Aufschieben der Spule (103) über den wenigstens einen Zahn (186) entlang (R) der wenigstens ersten (196) und zweiten Nut (194) den wenigstens einen Zahn (186) von der ersten (194) zur zweiten (196) Nut so überspannt, das er dem Aufschieben nicht im Wege steht.



Inventors:
Busse, Matthias, Prof. Dr.-Ing. (28757, Bremen, DE)
Rosen, Alexander (49082, Osnabrück, DE)
Application Number:
DE102015113858A
Publication Date:
02/23/2017
Filing Date:
08/20/2015
Assignee:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102012212637A1N/A2014-01-23
DE4122076A1N/A1992-01-09
Foreign References:
EP23871352011-11-16
Other References:
Müller, G., Vogt, K., Ponick, B.: Berechnung elektrischer Maschinen, Wiley-Verlag, Darmstadt, 2008
Attorney, Agent or Firm:
Eisenführ Speiser Patentanwälte Rechtsanwälte PartGmbB, 28217, Bremen, DE
Claims:
1. Gießtechnisch hergestellte Spule (103) zum Anordnen um wenigstens einen zum Führen eines magnetischen Felds vorbereiteten Zahn (186), wobei
– die Spule dazu vorbereitet ist, auf über den wenigstens einen Zahn (186) im Wesentlichen quer zum magnetischen Feld (M) und entlang wenigstens einer ersten (196) und einer zweiten (194), den wenigstens einen Zahn (186) zu weiteren Zähnen (182, 184) abgrenzender Nut aufgeschoben zu werden, und
– die Spule (103)
– einen ersten (112) und einen zweiten Wicklungsabschnitt (114) zum Anordnen in der wenigsten einen ersten (196) bzw. wenigstens einen zweiten Nut (194) aufweist und
– einen den ersten (112) und zweiten Wicklungsabschnitt (114) an jeweils einer Seite verbindenden ersten (122) und zweiten Wickelkopfabschnitt (124) zum Anordnen außerhalb der Nuten aufweist, wobei
– der erste Wickelkopfabschnitt (122) zu dem ersten (112) und zweiten Wicklungsabschnitt (114) so verlagert, ist, dass er beim Aufschieben der Spule (103) über den wenigstens einen Zahn (186) entlang (R) der wenigstens ersten (196) und zweiten Nut (194) den wenigstens einen Zahn (186) von der ersten (194) zur zweiten (196) Nut so überspannt, das er dem Aufschieben nicht im Wege steht.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsquerschnitt im Bereich des ersten (122) und/oder zweiten Wickelkopfabschnitts (124) gegenüber einem Bereich des ersten (112) und/oder zweiten Wicklungsabschnitts (114) erhöht ist.

3. Spule (103) nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wickelkopfabschnitt (122) in seiner Form (142) so an eine Kontur (144) des Zahnes (186) angepasst ist, dass beim Aufschieben der Spule (103) über den Zahn (186), der erste Wickelkopfabschnitt (122) die Kontur (144) des Zahnes (186) zumindest abschnittsweise passgenau umschließt.

4. Spule (103) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wickelkopfabschnitt (124) relativ zu dem ersten (112) und zweiten Wicklungsabschnitt (114) verlagert ist, insbesondere so, dass überlappend mit dieser Spule eine weitere Spule gleicher Form auf wenigstens einen weiteren, benachbarten Zahn aufgeschoben werden kann, und der zweite Wickelkopfabschnitt das durch seine Verlagerung zulässt.

5. Spule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wickelkopfabschnitt in eine andere Richtung als der erste Wickelkopfabschnitt (122) verlagert ist, insbesondere in eine zu der Verlagerung des ersten Wickelkopfabschnitts (122) entgegengesetzte Richtung.

6. Spule nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (103) zur geschachtelten Anordnung mit weiteren Spulen (101, 102, 104, 105, 106) gleicher Bauform über mehrere Zähne (182, 184, 186) vorbereitet ist.

7. Verfahren zum Herstellen einer gießtechnisch hergestellten Spule, umfassend die Schritte:
– Festlegen eines Spulendesigns zum Herstellen einer gießtechnisch hergestellten Spule, wobei die Spule einen auseinandergezogenen Zustand (500) und einen zusammengeschobenen Zustand einnehmen kann
– Gießen der Spule in einer Gießform in dem auseinandergezogenen Zustand (500)
– Entfernen der Gießform
– ggf. Entfernen von Angüssen (520, 530) und
– Zusammenschieben der Spule in den zusammengeschobenen Zustand.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend die Schritte:
– Herstellen einer Gießform zum Herstellen der Spule, wobei die Gießform das Spulendesign einer auseinandergezogenen gießtechnisch hergestellten Spule (500) aufweist und/oder
– Auftragen einer elektrischen Isolation auf die Spule in dem oder einem anderen auseinandergezogenen Zustand (500).

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gießtechnisch hergestellte Spule wenigstens einen verlagerten Wickelkopf aufweist und/oder eine gießtechnische hergestellte Spule gemäß einer der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wird.

10. Anordnung (200) mehrerer Spulen (101, 102, 103, 104, 105, 106) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche in einem mit Zähnen (182, 184, 186) und Nuten besetzten Blechpaket (180) einer elektrischen Maschine, wobei jeweils eine erste Spule (103) um wenigstens zwei Zähne (182, 184) angeordnet ist und mit wenigstens einer zweiten Spule (104) überlappt und die erste (103) und zweite Spule (104) wenigstens einen gemeinsamen Zahn (182) umschließen.

11. Anordnung (300) mehrerer Spulen (310a, 310b, 312a, 312b, 314a, 314b, 316a, 316b, 318a, 318b, 320a, 320b, 322a, 322b) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem mit Zähnen und Nuten besetzen Blechpaket (180) einer elektrischen Maschine, wobei wenigstens eine jeweils erste Spule (310a, 312a, 314a, 316a, 318a, 320a, 322a) und eine jeweils zweite Spule (310b, 312b, 314b, 316b, 318b, 320b, 322b) ineinander verschachtelt angeordnet sind und ein Spulenset (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) bilden.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus im Wesentlichen gleichen und eine Lochzahl gleich 2 aufweisenden Spulensets (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) gebildet ist, wobei
die jeweils ersten Spulen (310a, 312a, 314a, 316a, 318a, 320a, 322a) eines jeden Spulensets (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) jeweils um fünf Zähne des Blechpakets angeordnet sind
und die jeweils zweiten Spulen (310b, 312b, 314b, 316b, 318b, 320b, 322b) eines jeden Spulensets (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) jeweils um sieben Zähne des Blechpakets angeordnet sind
und/oder die jeweils zweiten Spulen (310b, 312b, 314b, 316b, 318b, 320b, 322b) eines jeden Spulensets (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) jeweils um die jeweils erste Spule des jeweiligen Spulensets angeordnet sind,
wobei
die jeweils ersten Spulen (310a, 312a, 314a, 316a, 318a, 320a, 322a) eines jeden Spulensets (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) mit den jeweils zweiten Spulen (310b, 312b, 314b, 316b, 318b, 320b, 322b) eines jeden Spulensets (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322) elektrisch miteinander in Reihe verschaltet sind.

13. Elektrische Maschine mit einem mit Zähnen (182, 184, 186) und Nuten besetzten Blechpaket (180) und einer Anordnung (200) mehrerer Spulen (101, 102, 103, 104, 105, 106) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 in dem Blechpaket.

14. Verfahren zur Anordnung mehrerer Spulen (101, 102, 103) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem mit mehreren Zähnen (182, 184, 186) und Nuten (192, 194, 196) besetzten Blechpaket (180) einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine eine Rotationsachse (R) aufweist und die Spulen (101, 102, 103) in Richtung der Rotationsachse axial über einen oder mehrere Zähne (182, 184, 186), entlang (R) zweier der Nuten, aufgeschoben werden, wobei die ersten Wickelkopfabschnitte (122) einer jeden Spule (101, 102, 103) so verlagert sind, dass beim Aufschieben der Spulen auf über die Zähne (182, 184, 186) entlang (R) der Nuten, die Zähne (182, 184, 186) des Blechpaketes (180) dem Aufschieben der Spulen über den Zahn (182) oder die mehreren Zähne (182, 184, 186) nicht im Wege stehen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (103) in ihrer Form (142) so an den einen Zahn (186) oder die mehrere Zähne (182, 184) angepasst ist, dass der Zahn (186) bzw. die mehreren Zähne (182, 184) als Führungsschiene bzw. Schienen fungieren.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen passgenau über den Zahn bzw. die Zähne und/oder weitere Spulen über einen Zahn bzw. mehrere Zähne axial aufgeschoben werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen über mehrere Zähne geschoben werden und dabei andere Spulen überlappen.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gießtechnisch hergestellte Spule. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung mehrerer solcher Spulen in einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Blechpaket einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer eine solche Spule aufweisenden elektrische Maschine.

Spulen, die aus wenigstens einer Windung bestehen und geeignet sind ein Magnetfeld zu erzeugen sind allgemein bekannt. Ferner ist auch eine Verwendung solcher Spulen in elektrischen Maschinen zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder mechanischen Drehmoment allgemein bekannt.

Aus fertigungstechnischen Gründen, insbesondere in der Massenproduktion, ist es aus ökomischen Gesichtspunkten oftmals sinnvoll, die Spulen elektrischer Maschinen nicht direkt auf das Blechpaket zu wickeln, sondern außerhalb des Blechpaketes zu fertigen und erst später zu montieren. Nicht auf Wickeltechnik basierende Verfahren eignen sich besonders gut, die Spulen getrennt vom Blechpaket zu fertigen, da nicht auf Wickeltechnik basierende Spulen zu meist eine höhere mechanische Steifigkeit aufweisen. Zudem eignen sich gießtechnische Verfahren auch besonders gut für die maschinelle Serienfertigung bzw. Massenproduktion, und ermöglichen zudem einen besonders günstigen Nutfüllfaktor von rund 90 Prozent.

Aus „Müller, G., Vogt, K., Ponick, B.: Berechnung elektrischer Maschinen, Wiley-Verlag, Darmstadt, 2008“ und der EP 2387135 A3 sind nicht auf Wickeltechnik basierende Verfahren bekannt. Ferner existieren für Einzelzahnwicklungen, also für Wicklungen bei denen jede Spule immer nur einen Zahn umschließt, verschiedene Konzepte, die eine getrennte Fertigung von Spule und Blechpaket erlauben. Ein Teil dieser Konzepte findet bereits in der Serienfertigung und Massenproduktion ihre Anwendung.

Nachteilig bei den oben genannten Konzepten, insbesondere bei den gießtechnisch hergestellten Spulen ist vor allem der Umstand, dass eine Montage der unflexiblen Spule oft durch eine Segmentierung des Blechpaketes, insbesondere durch eine Segmentierung der Zähne, erfolgt.

Dabei ergeben sich durch die Segmentierung des Blechpaketes, wie in 4 gezeigt, eine Reihe technischer Nachteile. Hierzu zählen neben einem grundsätzlich höheren Montageaufwand unter anderem eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes des Eisenkerns sowie höhere Ummagnetisierungsverluste im laufenden Betrieb und eine schlechtere mechanische Festigkeit des Blechpaketes.

Für verteilte Wicklungen, also Wicklungen bei denen jede Spule mehrere Zähne umschließt und sich die Leiter im Bereich des Wickelkopfes kreuzen, existieren bisher ebenfalls nur Ausführungsformen bei denen das Blechpaket segmentiert ausgeführt wird.

Nach heutigem Stand der Technik ist die Montage von vorgefertigten Spulen auf Blechpaketen im Falle von Einzelzahnwicklungen mit erheblichen technologischen und wirtschaftlichen Nachteilen verbunden oder im Falle von verteilten Wicklungen kaum oder gar nicht realisierbar. Dies macht im Stand der Technik auch die Verwendung alternativer Fertigungstechnologien wie gegossener bzw. gießtechnisch hergestellter Spulen und das Ausnutzen der damit verbundenen technologischen Vorteile für Spulen unmöglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, wenigstens einem der vorgenannten Probleme zu begegnen. Insbesondere soll der Stand der Technik verbessert werden und eine gießtechnisch hergestellte Spule vorgeschlagen werden, die ein Einbringen einer starren Spule in ein Blechpaket ohne eine Segmentierung des Blechpaketes ermöglicht und somit insbesondere für die Massenproduktion geeignet ist. Zumindest soll gegenüber dem bisher bekannten eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.

Erfindungsgemäß wird eine gießtechnisch hergestellte Spule gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen sowie eine Anordnung gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9

Wird nachfolgend im Rahmen der Erfindung von einer Spule gesprochen, so ist damit eine wenigstens eine im Wesentlichen flache Wicklung aufweisende elektromagnetische im Wesentlichen rechteckige Spule gemeint, die ferner durch ein gießtechnisches Verfahren hergestellt ist.

Erfindungsgemäß wird eine Spule nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Es wird somit eine gießtechnisch hergestellte Spule vorgeschlagen zum Anordnen um wenigstens einen zum Führen eines magnetisches Felds vorbereiteten Zahn. Dabei ist die Spule dazu vorbereitet, über den wenigstens einen Zahn im Wesentlichen quer zum magnetischen Feld und entlang wenigstens einer ersten und einer zweiten, den wenigstens einen Zahn zu weiteren Zähnen abgrenzender Nut aufgeschoben zu werden. Außerdem weist die Spule einen ersten und einen zweiten Wicklungsabschnitt zum Anordnen in der ersten bzw. zweiten Nut auf. Ferner weist sie einen den ersten und zweiten Wicklungsabschnitt an jeweils einer Seite verbindenden ersten und zweiten Wickelkopfabschnitt zum Anordnen außerhalb der Nuten auf. Dabei ist der erste Wickelkopfabschnitt zu dem ersten und zweiten Wicklungsabschnitt so verlagert, dass er beim Aufschieben der Spule auf den wenigstens einen Zahn entlang der wenigstens ersten und zweiten Nut den wenigstens einen Zahn von der ersten zur zweiten Nut so überspannt, das er dem Aufschieben nicht im Wege steht.

Gießtechnisch hergestellte Spulen sind aus einer oder mehreren gegossenen Windungen ausgebildet, wobei die gegossenen Windungen aus einem elektrisch leitfähigem Spulenmaterial, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, bestehen und im Wesentlichen flach ausgebildet sind. Ferner ist eine so gefertigten Spule im Wesentlichen starr und unflexibel und weist wenigstens zwei Windungsabschnitte auf, die dazu vorbereitet sind durch eine Nut geschoben zu werden, wobei die Bemaßung der Windungsabschnitte so gewählt ist, dass die Spule einen im Verhältnis zu wickeltechnisch hergestellten Spulen größeren Füllfaktor aufweist. Theoretisch sind so geometrische Füllfaktoren von 100 Prozent erreichbar, hingegen orthozyklisch gewickelte Spulen lediglich einen geometrischen Füllfaktor von etwa 91 Prozent erreichen können.

Die vorgeschlagenen Windungsabschnitte sind in sogenannten Wickelkopfabschnitten miteinander verbunden. Ein Wickelkopfabschnitt ist nun so angeordnet, dass er beim Aufschieben der Spule den Bereich zwischen den Wicklungsabschnitt so überspannt, dass der wenigstens eine zu überspannende Zahn nicht im Wege steht. Ein so angeordneter Wickelkopfabschnitt wird hier als verlagerter Wickelkopf bezeichnet. Der Wickelkopfabschnitt ist also beispielsweise gegenüber den Wicklungsabschnitten hochgeklappt oder hoch gebogen. Die Spule weist somit eine Biegung bzw. Abwinklung auf, die so eingerichtet ist, dass der Zahn beim Aufschieben der Spule auf den Zahn der Spule, nämlich besonders dem betreffenden Wickelkopfabschnitt, nicht im Wege steht bzw. die Spule auf ein Zähne aufweisendes Blechpaket montiert werden kann, ohne das Blechpaket bzw. die Zähne zu segmentieren. Eine besonders kompakte Bauweise der Spule wird durch eine senkrechte Abwinklung des Wickelkopfabschnittes zu den Wicklungsabschnitten erreicht. Ferner ist es besonders vorteilhaft die Spulen mit einem variablen Windungsquerschnitt und/oder Wicklungsquerschnitt auszuführen.

Die einzelnen Windungen gießtechnisch hergestellter Spulen können vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig und/oder flach ausgeführt sein und können einen variablen Querschnitt aufweisen. Dadurch können auch auf einfache Weise Windungen übereinander im Wesentlichen spiralförmig angeordnet werden.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine Zahn, der nach Anordnung der Spule um den Zahn auch als Kern, insbesondere Eisenkern oder Spulenkern, bezeichnet werden kann, aus einem magnetisch leitenden Material ausgebildet und bildet einen Teil eines Blechpaketes, insbesondere eines Blechpaketes einer elektrisch rotierenden Maschine.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf industriell typische Zahnkonturen, beispielsweise T- oder V-Profile beschränkt, sonder kann an jede beliebige Kontor angepasst werden. So ist es auch denkbar die Spule als Luftspule auszuführen. In diesem Fall sind die obengenannten Anpassungen nicht an die Kontur des Zahnes anzupassen, sondern an die Kontur des von der Spule zu umfassenden nichtmagnetischen Spulenkörpers.

Eine Spule gemäß wenigstens einer Ausführungsform eignet sich besonders gut als Einzelzahnwicklung, wie sie beispielsweise in Radnabenantrieben, insbesondere in der Automobilindustrie, verbaut werden können. Besonders wenn eine solche Spule in einer elektrischen Maschine verbaut wird, ist es besonders vorteilhaft, den verlagerten Wickelkopf axial hinter dem Rotor, bezogen auf die Richtung des Aufschiebens, anzuordnen, da dieser Raum in elektrischen Maschinen im Stand der Technik in der Regel nicht sinnvoll genutzt werden kann, zumindest meist frei ist und dazu genutzt werden kann, ohne dass es einer Anpassung der Maschine in diesem Bereich bedarf.

Vorzugsweise weist die Spule einen erhöhten Leitungsquerschnitt im Bereich des ersten und/oder zweiten Wickelkopfabschnitts gegenüber einem Bereich des ersten und/oder zweiten Wicklungsabschnitts auf.

Der erhöhte Leiterquerschnitt im Bereich des Wickelkopfabschnittes wirkt einer Erhöhung der effektiven Spulenlänge, die durch das Auslagern des Wickelkopfabschnittes hervorgerufen werden kann, entgegen. Demnach würde die effektive Spulenlänge dadurch wieder kürzer werden. Ferner können durch das Auslagern des Wickelkopfes bei Spulen mit mehreren Windungen die Windungen unterschiedlich lang werden, so dass unterschiedliche Widerstände jeder Windung die Folge sind. Solche Widerstände können durch entsprechende Wahl der Leitungsquerschnitte angeglichen werden. Außerdem könnte es durch das Abwinkeln oder andere Verformung zum Erreichen des Auslagerns zu Engstellen kommen, wenn die Windungen durchgängig den gleichen Querschnitt haben. Auch das kann durch eine Querschnittsanpassung ausgeglichen bzw. vermieden werden.

Vorzugsweise ist der erste Wickelkopfabschnitt in seiner Forms so an eine Kontur des Zahnes angepasst ist, dass beim Aufschieben der Spule über den Zahn, der erste Wickelkopfabschnitt die Kontur des Zahnes zumindest abschnittsweise passgenau umschließt.

Da eine gießtechnisch hergestellte Spule, im Gegensatz zu gewickelten Spulen, nahezu jede beliebige Geometrie aufweisen kann, ist es insbesondere von Vorteil die Form der Spule der Kontur des Zahns so anzupassen, dass die Spule den Zahn beim Aufschieben der Spule auf den Zahn passgenau umschließt. Die Leistungsdichte der Spule kann dadurch um ein Vielfaches erhöht werden. Zudem kann hier durch eine Spule realisiert werden, die eine sehr kompakte Bauweise aufweist. Spulen mit einer solchen hohen Leistungsdichte und/oder kompakter Bauweise sind vor allem im Bereich der elektrischen Maschinen und Antriebe bis zu 200 oder 300 kW zu finden.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der zweite Wickelkopfabschnitt relativ zu dem ersten und zweiten Wicklungsabschnitt verlagert, insbesondere so, dass überlappend mit dieser Spule eine weitere Spule gleicher Form auf wenigstens einen weiteren, benachbarten Zahn aufgeschoben werden kann, und der zweite Wickelkopfabschnitt das durch seine Verlagerung zulässt. Der erste Wickelkopfabschnitt ist also so verlagert, z.B. hochgebogen, dass er das Aufschieben auf den wenigstens einen Zahn zulässt. Er steht dabei somit dem wenigsten einen Zahn nicht im Wege. Der zweite Wickelkopfabschnitt, der im Grunde nie über den Zahn geschoben wird, steht dem Zahn daher nicht im Wege, könnte aber dem überlappenden Aufschieben einer weiteren Spule entgegen stehen. Damit ist bspw. ein Aufschieben der zweiten Spule über einen zweiten und dritten Zahn gemeint, wenn die erste Spule über den ersten und zweiten Zahn geschoben ist. In diesem vereinfachten Bsp. überlappen die Spulen im Bereich des zweiten Zahns. Wird nun der zweite Wickelkopfabschnitt bspw. nach unten gebogen, steht er diesem überlappenden Aufschieben nicht im Wege.

Vorzugsweise wird der zweite Wickelkopfabschnitt in eine andere Richtung als der erste Wickelkopfabschnitt (122) verlagert ist, insbesondere in eine zu der Verlagerung des ersten Wickelkopfabschnitts (122) entgegengesetzte Richtung.

Durch ein Verlagern des zweiten Wickelkopfabschnittes entgegengesetzt zu dem ersten Wickelkopfabschnitt weist die Spule eine besonders günstige geometrische Anordnung auf, die es ferner ermöglicht die Spule auf eine besonders einfache Art und Weise über mehrere Zähne eines Blechpaketes aufzuschieben. Dies ermöglicht unter Anderem auch das Einbringen der Spulen in ein Blechpaket als verteilte Wicklung. Zudem sind solche Spulen durch die oben beschriebene geometrische Anordnung der Wickelkopfabschnitte dazu vorbereitet in einer axialen Montage einer elektrischen Maschine verwendet zu werden. Ferner sind die Spulen hierdurch vorbereitet in komplexen verteilten Wicklungen, wie sie in Asynchronmaschinen verwendet werden, angeordnet zu werden.

Vorzugsweise ist die Spule zur geschachtelten Anordnung mit weiteren Spulen gleicher Bauform über mehrere Zähne vorbereitet.

Die besondere Bauform der Spule, die im Wesentlich rechteckig ausgebildet sein kann, ermöglicht es die Spule so auf einem Blechpaket anzuordnen, dass die Spulen ineinander verschachtelt werden können und so eine sogenannte Mehrloch-Wicklung, also eine Wicklung mit einer ganzzahligen Lochzahl größer 1, ausbilden.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer gießtechnisch hergestellten Spule vorgeschlagen mit Schritten:

  • – Festlegen eines Spulendesigns zum Herstellen einer gießtechnisch hergestellten Spule, wobei die Spule einen auseinandergezogenen Zustand und einen zusammengeschobenen Zustand einnehmen kann,
  • – Gießen der Spule in einer Gießform in dem auseinandergezogenen Zustand,
  • – Entfernen der Gießform,
  • – ggf. Entfernen von Angüssen und
  • – Zusammenschieben der Spule in den zusammengeschobenen Zustand.

Ein solches Spulendesign, was auch als Spulenaufbau oder Spulengestaltung bezeichnet werden kann, weist einen Aufbau einer gießtechnisch hergestellten Spule auf, der ein Auseinanderziehen und/oder Zusammenschieben der Spule ermöglicht. Das Spulendesign weist also insbesondere einen Aufbau mit einer Form ähnlich einer Schraubenfeder auf und kann auch ähnlich auseinandergezogen werden. Es müssen aber keine runden Abschnitte vorliegen. Der Aufbau kann in seiner grundsätzlichen Form auch einer Wicklung um einen eckigen Körper entsprechen, um ein weiteres Beispiel zu nennen. 5 zeigt ein Spulendesign einer Spule mit im Wesentlichen flachen Windungen, die gießtechnisch in einem auseinandergezogenen Zustand herstellbar ist.

Zum Gießen der Spule wird ein Negativ-Abdruck des Spulendesigns in eine Gießform eingebracht. Die Gießform weist demnach einen negativen Abdruck einer zu gießenden Spule, dem eigentlichen Gießkörper auf. Dabei weist der Negativ-Abdruck in der Gießform und demnach der Gießkörper auf Grund des Spulendesigns einer auseinandergezogenen Spule eine größere Spulenhöhe als die eigentliche Spule auf. Der Gießkörper entspricht also im Wesentlichen der Spule im auseinandergezogenen Zustand.

Nach Einbringen des Spulendesigns in die Gießform wird die Gießform mit Gießmaterial gefüllt. Beispielsweise kann als Gießmaterial Kupfer oder Aluminium verwendet werden, aber auch Legierungen oder andere elektrisch leitfähige Werkstoffe sind als Gießmaterial geeignet.

Nach Erreichen einer Verarbeitungstemperatur, also nachdem die Gießform samt Gießkörper abgekühlt ist, wird die Gießform vom Gießkörper, also der auseinandergezogenen Spule, getrennt. Je nach Anwendungsgebiet kann es sich bei der Gießform um eine verlorene Form oder um eine Dauerform handeln.

Nach Entfernen der Gießform wird der Gießkörper von Angüssen, sofern diese vorhanden sind, befreit. Dies kann beispielsweise durch Abschlagen oder Scheren erfolgen.

Anschließend wird der von Angüssen freie Gießkörpern auf die gießtechnisch hergestellte Spule zusammengeschoben und/oder zusammengepresst. Die so gießtechnisch hergestellte Spule weist demnach in ihrem zusammengeschobenen Zustand eine kleinere Spulenhöhe als der Gießkörper auf.

Ein besonderer technischer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist es, dass eine Spule, die durch das oben beschriebene Spulendesign abbildbar ist, auch in einem Stück gegossen werden kann. Somit liefert das vorgeschlagene Verfahren insbesondere Spulen, die es ermöglichen elektrische Maschinen besonders einfach axial zu montieren.

Vorzugsweise wird zum Herstellen der Spule eine Gießform hergestellt, wobei die Gießform das Spulendesign einer auseinandergezogenen gießtechnisch hergestellten Spule aufweist. Diese Gießform kann auch mehrere Gießkörper umfassen, so dass mit einem Verfahrensschritt mehrere auseinandergezogene Spulen hergestellt werden können.

Ferner wird auch vorgeschlagen eine elektrische Isolation auf die Spule aufzutragen, wenn diese in dem oder einem anderen auseinandergezogenen Zustand ist. Die einzelnen Windungen der Spule werden also dadurch elektrisch gegeneinander isoliert. Beispielsweise kann die Isolation auf die auseinandergezogene Spule durch ein Tauch- oder ein Sprühverfahren aufgetragen werden.

Auch wird vorgeschlagen, dass die gießtechnisch hergestellte Spule wenigstens einen verlagerten Wickelkopf aufweist und/oder eine gießtechnische hergestellte Spule gemäß einer der vorstehend erläuterten Ausführungsformen hergestellt wird.

Demnach ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren auch möglich eine Spule herzustellen, die zwei verlagerte Wickelköpfe aufweist.

Erfindungsgemäß wird auch eine Anordnung mehrerer Spulen in einem mit Zähnen und Nuten besetzten Blechpaket einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei jeweils eine erste Spule um wenigstens zwei Zähne angeordnet ist und mit wenigstens einer zweiten Spule überlappt und die erste und zweite Spule wenigstens einen gemeinsamen Zahn umschließen.

Durch die Anordnung mehrerer Spulen über wenigstens einen gemeinsamen Zahn ist es möglich, die Spule in sogenannten Mehrzahn- und/oder Verteilten Wicklungen anzuordnen. Dies wirkt sich besonders günstig auf die Leistungsdichte der elektrischen Maschine aus. Beispielsweise können baugleiche Spulen, die mehrere Zähne überspannen, so versetzt und überlappend in einem Blechpaket angeordnet werden, dass sie ein dreiphasiges System ausbilden. Auch andere mehrphasige Systeme sind denkbar.

Vorzugsweise wird vorgeschlagen die mehreren Spulen in einem mit Zähnen und Nuten besetzen Blechpaket einer elektrischen Maschine so anzuordnen, dass wenigstens eine jeweils erste Spule und eine jeweils zweite Spule so ineinander verschachtelt angeordnet sind, dass sie ein Spulenset ausbilden.

Das Spulenset ist dabei so ausgebildet, dass die Spulen sich gegenseitig entlang eines Umlaufes vollständig umfassen. Hierzu weisen die Spulen eines Spulensets unterschiedliche Spulenlängen auf.

Vorzugsweise wird auch vorgeschlagen, dass die Anordnung aus im Wesentlichen gleichen und eine Lochzahl gleich 2 aufweisenden Spulensets gebildet ist, wobei die jeweils ersten Spulen eines jeden Spulensets jeweils um fünf Zähne des Blechpakets angeordnet sind und die jeweils zweiten Spulen eines jeden Spulensets jeweils um sieben Zähne des Blechpakets angeordnet sind und/oder die jeweils zweiten Spulen eines jeden Spulensets jeweils um die jeweils erste Spule des jeweiligen Spulensets angeordnet sind. Insbesondere ist die erste Spule somit geometrisch innerhalb der zweiten Spule angeordnet.

Vorzugsweise sind die jeweils ersten Spulen eines jeden Spulensets mit den jeweils zweiten Spulen eines jeden Spulensets elektrisch miteinander in Reihe verschaltet. Ein Spulenset kann somit jeweils einer elektrischen Phase zugeordnet werden.

Die jeweils ersten Spulen eines jeden Spulensets weisen also gemäß einer Ausführungsform eine Spulenweite gleich 4 und die jeweils zweiten Spulen eines jeden Spulensets eine Spulenweite gleich 6 auf. Demnach weisen die jeweils ersten Spulen eine kürzere Spulenlänge als die jeweils zweiten Spulen auf, wobei sowohl die jeweils ersten Spulen als auch die jeweils zweiten Spulen durch einen gleichen Leitungsquerschnitt ausgebildet sind.

Eine solche Anordnung ist insbesondere für dreisträngige Ausführungsformen geeignet und jedes Spulenset ist dabei jeweils einem der Stränge zugeordnet.

Erfindungsgemäß wird auch eine elektrische Maschine mit einem mit Zähnen und Nuten besetzten Blechpaket und einer Anordnung mehrerer Spulen gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform in dem Blechpaket vorgeschlagen.

Besonders vorteilhaft bei einer solchen elektrischen Maschine ist die einfache axiale Montage der Spulen in der Maschine.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Anordnung mehrerer Spulen in einem mit mehreren Zähnen und Nuten besetzten Blechpaket einer elektrischen Maschine vorgeschlagen. Eine solche elektrische Maschine weist eine Rotationsachse auf und die Spulen werden in Richtung der Rotationsachse axial über einen oder mehrere Zähne, entlang zweier der Nuten, aufgeschoben. Die ersten Wickelkopfabschnitte einer jeden Spule sind dabei so verlagert, dass beim Aufschieben der Spulen über die Zähne entlang der Nuten, die Zähne des Blechpaketes dem Aufschieben der Spulen über den Zahn oder die mehreren Zähne nicht im Wege stehen, vorgeschlagen.

Ein besonderer technischer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist es, dass das Blechpaket und die Spulen gesondert gefertigt und anschließend zusammen montiert werden können, ohne dass für die Montage der elektrischen Maschine das Blechpaket segmentiert werden muss. Ferner ist es auch möglich durch ein Aufschieben bzw. Montieren der Spulen entlang der Nuten, eine elektrische Maschine in einer sogenannten axialen Montage zu fertigen. Axiale Montagen elektrischer Maschinen sind für die Industrie besonders interessant, da sie eine kostengünstige Modulbauweise von elektrischen Maschinen realisieren lassen.

Ferner ist es durch das vorgeschlagene Verfahren möglich durch einfach reproduzierbare Verfahrensschritten eine auf die Maschine angepasste, aber ansonsten praktisch beliebige Anzahl von Spulen nach einander in das Blechpaket einzubringen. Auch besteht die Möglichkeit, dass Spulen gleicher Phase gleichzeitig in das Blechpaket eingebracht bzw. montiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass, die Spule in ihrer Form so an den einen Zahn oder die mehrere Zähne angepasst wird, dass der Zahn bzw. die mehreren Zähne als Führungsschiene bzw. Schienen fungieren. Zum Fertigen wird die Spule dann passgenau entlang des wenigstens einen Zahns oder wenigstens entlang einer Flanke des Zahns auf den Zahn bzw. die Zähne aufgeschoben.

Durch die Anpassung der Form der Spule an den oder die zu überspannenden Zähne ist es möglich, dass der Zahn bzw. die mehreren Zähne als Führungsschiene insbesondere für automatisierte Prozesse fungieren können. Das wird in einem Verfahren gemäß wenigstens einer Ausführungsform ausgenutzt.

Vorzugswese wird vorgeschlagen, dass die Spulen passgenau über den Zahn bzw. die Zähne und/oder weitere Spulen über einen Zahn bzw. mehrere Zähne axial aufgeschoben werden.

Ein besonderer technischer Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass die Spule als Mehrzahn- und/oder Mehrlochwicklung ausgeführt axial montiert werden kann. Eine solche axiale Montage von Spulen ohne Segmentierung des Blechpakets ist dem Stand der Technik unbekannt. Ferner weisen so angeordnete Spulen eine besonders hohe Leistungsdichte auf. Zudem ermöglicht das Verfahren, Einschichtwicklungen in einer beliebigen Wicklungsanordnung in ein Blechpaket einer elektrischen Maschine axial einzubringen.

Gemäß einer Ausführungsform wird somit auch vorgeschlagen, dass die Spulen jeweils über mehrere Zähne geschoben werden und dabei andere Spulen überlappen.

Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert,

1: zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von gießtechnisch hergestellten Spulen gemäß einer Ausführungsform, die als Einzelzahnwicklungen ausgeführt sind.

2: zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von gießtechnisch hergestellten Spulen gemäß einer weiteren Ausführungsform, die als Mehrzahnwicklungen bzw. Verteilte Wicklungen ausgeführt sind.

3. zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung von gießtechnisch hergestellten Spulen gemäß einer noch weiteren Ausführungsform, die Verteilte 2-Loch Wicklung ausgeführt sind.

4a bis 4c zeigen schematische Darstellungen von segmentierten Blechpaketen in einer Querschnittsansicht.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer auseinandergezogenen Spule mit Angüssen.

Nachfolgend können zur Verbesserung der Übersichtlichkeit und/oder zur Verdeutlichung ähnlich wirkender Elemente für gleiche oder ähnliche Elemente unterschiedlicher Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

1 zeigt drei gießtechnisch hergestellte Spulen 101, 102 und 103, die in einem Blechpaket 180 einer elektrischen Maschine angeordnet sind, wobei das Blechpaket 180 Zähne 182, 184, 186 und Nuten 192, 194, 196 aufweist. Ferner sind die Spulen 101, 102, 103 baugleich aus einem elektrisch leitfähigem Gussmaterial, insbesondere Aluminium oder Kupfer, ausgebildet. Zudem weisen die Zähne 182, 184 und 186 bestimmungsgemäß ein die Zähne senkrecht durchlaufendes Magnetfeld M auf, das durch die gestrichelte Gerade M veranschaulicht ist, wobei diese Gerade M die Richtung des Magnetfeldes M in dem betreffenden Zahn angibt. Dazu soll die betreffende Spule im Wesentlichen senkrecht auf den wenigstens einen Zahn aufgeschoben werden. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Feldlinien des Magnetfeldes außerhalb des Zahnes nicht mehr der Geraden M folgen werden. Das die Zähne jeweils senkrecht durchlaufende Magnetfeld M ist exemplarisch für Zahn 182 in 1 gezeigt. In den übrigen Zähnen wird es bestimmungsgemäß ein ganz ähnliches Magnetfeld mit ähnlicher Richtung geben.

Der Aufbau der Spulen 101, 102 und 103 wird nachfolgend exemplarisch an der Spule 103 erläutert.

Die Spule weist einen ersten 112 und zweiten 114 Wicklungsabschnitt auf, die über einen ersten 122 und einen zweiten 124 Wickelkopfabschnitt außerhalb der Nuten verbunden sind. Ferner weist die Spule mehrere gegossene, im Wesentlichen flache Wicklungen 132, 134, 136 und 138 auf und ist als Einzelzahnwicklung ausgebildet.

Der erste Wickelkopfabschnitt 122 weist eine, insbesondere innere, Form 142 auf, die der Kontur 144 des Zahnes 186 so angepasst ist, dass der Wickelkopfabschnitt 122 beim Aufschieben der Spule 103 über den Zahn 186 entlang der ersten 196 und zweiten 194 Nut den Zahn 186 so überspannt, dass der Zahn 186 dem Aufschieben nicht im Wege steht. Es ist dabei ersichtlich, dass eine solche Spule im Wesentlichen auf jede beliebige Kontur aufgeschoben werden kann, bzw. dass sie an entsprechende Konturen anpassbar sind. Ihre Form kann dafür im gießtechnischen Prozess entsprechend vorgesehen werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wickelkopfabschnitt 122 in seiner Form 142, insbesondere nämlich in seiner Innenkontur, so an die Kontur 144 des Zahnes 186 angepasst, dass der Wickelkopfabschnitt 122 die Kontur 144 des Zahnes 186 passgenau umschließt, wie das die 1 zeigt. Im Wesentlich ist unter passgenau eine möglichst eng um die äußere Kontur 144 des Zahnes 186 verlaufende innere Form 142, insbesondere Innenkontur, des Wickelkopfabschnittes 122 zu verstehen, die es ermöglicht, die Spule 103 platzsparend im Blechpaket 180 ein- bzw. unterzubringen. So kann der Zahn 186 beispielweise eine T-förmige Kontur 144 aufweisen, es sind aber auch andere Konturen, wie I- oder V-förmige Konturen denkbar.

Ferner weist die Spule 103 im Bereich des ersten Wickelkopfabschnittes 122 einen erhöhten Leiterquerschnitt gegenüber dem ersten und zweiten Wicklungsabschnitt 112 bzw. 114 auf, Dieser erhöhte Leiterquerschnitt im Bereich des ersten Wickelkopfabschnitt 122 verringert den Widerstand des Leiters im Bereich des Wickelkopfabschnittes 122 und wirkt so einer Erhöhung des effektiven Wicklungslänge 132, 134, 136 und 138 entgegen.

Es ist besonders zu erkennen, dass die Spule 103 im Bereich Ihres ersten Wickelkopfabschnitts 122 eine Innenkontur aufweist, die der Außenkontur des betreffenden Zahnes 186 angepasst ist. Gleiches gilt entsprechend für die Spulen 101 und 102.

Ferner soll anhand der 1. das Aufschieben einer Spule in axialer Richtung R über einen Zahn des Blechpakets 180 kurz erläutert werden. Die Figur zeigt dabei eine erfindungsgemäße Spule 103 vor dem Aufschieben über den Zahn 186. Ferner ist eine Spule 102 während des Aufschiebens über den Zahn 184 gezeigt. Schließlich zeigt die 1 eine Spule 101 nachdem sie über den Zahn 182 aufgeschoben und montiert worden ist. Das Aufschieben wird durch die Anpassung der Innenkontur des jeweils ersten Wickelkopfabschnitts an die Außenkontur des betreffenden Zahnes begünstigt.

2. zeigt eine Anordnung 200 gießtechnisch hergestellter Spulen 101, 102, 103, 104, 105 und 106, die in einem Blechpaket 180 einer elektrischen Maschine angeordnet sind, wobei das Blechpaket 180 Zähne 182, 184 und 186 und Nuten zwischen den Spulen aufweist. Der zweite Wickelkopfabschnitt 124 ist relativ zu dem ersten 112 und zweiten Wicklungsabschnitt 114 und entgegengesetzt zu dem ersten Wickelkopfabschnitt 122 verlagert. Gemäß der gewählten Darstellung der 2 ist nämlich der erste Wickelkopfabschnitt 122 nach oben verlagert, während der zweite Wickelkopfabschnitt 124 nach unten verlagert ist, also entgegengesetzt zur Verlagerung des ersten Wickelkopfabschnitts 122. Die Verlagerung ist hier bei beiden Wickelkopfabschnitten 122 und 124 etwa als abgewinkelte Form ausgebildet. Ferner zeigt 2 eine geschachtelte Anordnung der Spule 103 mit weiteren Spulen 101, 102, 104, 105 und 106, wobei sich die geschachtelte Anordnung über mehrere Zähne 182, 184 und 186 erstreckt und jeweils zwei benachbarte Spulen, z.B. die Spulen 103 und 104, überlappen. Jede Spule 101, 102, 103, 104, 105 und 106 kann, wie in 2 gezeigt, auch mehrere Zähne 182, 184 und 186 umfassen.

Somit umfasst die Spule 103 die Zähne 182 und 184 und ist überlappend mit Spule 104 so angeordnet, dass die Spule 103 und 104 einen gemeinsamen Zahn 182 umschließen. Eine solche Anordnung bezeichnet der Fachmann auch als Mehrzahnwicklung bzw. als Verteilte Wicklung.

3. zeigt eine Anordnung 300 von gießtechnisch hergestellten Spulen 310, 312, 314, 316, 318, 320 und 322, die als verteilte 2-Loch Wicklung in einem Blechpaket 180 ausgeführt sind. Die Spulen 310, 312, 314, 316, 318, 320 und 322 weisen jeweils eine erste Wicklung a und zweite Wicklungen b auf, wobei die erste Wicklung a, die auch als innere Wicklung bezeichnet werden kann, eine geringere Wicklungslänge als die zweite Wicklung b aufweist, die auch als äußere Wicklung bezeichnet werden kann. Ferner sind die eine erste und zweite Wicklung aufweisenden Spulen 310, 312, 314, 316, 318, 320 und 322 verschachtelt, als verteilte Wicklung, angeordnet.

Die 4a bis 4c zeigen schematische Darstellungen von segmentierten Blechpaketen 416, 426 und 432 in einer Querschnittsansicht, wie sie häufig im Stand der Technik anzutreffen sind.

4a zeigt eine Anordnung 410 einer Spule mit Schenkeln 412 und 413 in einem Blechpaket 414 und 418. Die Spule ist mit ihren Schenkeln 412 und 413 ist um einen Zahn 418 angeordnet. Ferner ist der Zahn 418 segmentiert vom Blechpaket 414 ausgeführt und weist einen schwalbenschwanzförmigen Keil 416 auf. Die Anordnung 410 stellt schematisch einen segmentierten Aufbau eines Blechpaketes 416 einer axial montierten elektrischen Maschine dar. Hierzu wurde der Zahn 418 vom Blechpaket 416 segmentiert und mit einer Spule mit Schenkeln 412 und 413 umwickelt. Anschließend wird der von der Spule mit den Schenkeln 412 und 413 umwickelte Zahn 418 über seinen schwalbenschwanzförmigen Keil 416 wieder im Blechpaket durch ein axiales Einschieben des Zahnes 418 in das Blechpaket 416 angeordnet. Dabei ergeben sich durch die Segmentierung des Blechpaketes 416 eine Reihe technischer Nachteile. Hierzu zählen neben einem grundsätzlich höheren Montageaufwand unter anderem eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes des Eisenkerns sowie höhere Ummagnetisierungsverluste im laufenden Betrieb und eine schlechtere mechanische Festigkeit des Blechpaketes.

4b zeigt eine Anordnung 420 einer Spule mit Schenkeln 422 und 433 in einem Blechpaket 424. Hierbei weist das Blechpaket 416 eine andere in der Technik verwendete Segmentierung 426 auf. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die Probleme denen der Anordnung gemäß 4a.

4c zeigt eine Anordnung 430 einer verteilten Wicklung mit den Schenkeln 450, 452, 454. 456, 458 und 480 in einem segmentierten Blechpaket 432, 434, 436, 438, 440, 442, 444 und 446. Besonders nachteilig bei einer solchen Anordnung ist die mehrfache Segmentierung des Blechpaketes 432, die neben der Erhöhung des magnetischen Widerstandes insbesondere zu schlechterer mechanischer Festigkeit des Blechpaketes 432 führt.

5 zeigt eine schematische Darstellung 500 einer auseinandergezogenen Spule 510 mit zwei Angüssen 520 und 530, wobei die einzelnen Windungen der Spule so voneinander beabstandet sind, dass ein Auftragen einer Isolation auf die so beabstandeten Windungen ermöglicht wird. Die Darstellung zeigt im Wesentlichen die Spule 510 in dem auseinandergezogenen Zustand, in dem sie auch gegossen wurde, und die einzelnen Windungen 540 sind an gegenüberliegenden Seiten jeweils mit den Angüssen 520 und 530 verbunden. Die Form der Spule 510 entspricht der eines Helix oder einer Schraubenlinie, allerdings mit einer rechteckigen Form der einzelnen Windungen 540.

Der hier vorgestellte Lösungsansatz schlägt somit eine geometrische Gestaltung einer Spule vor, die eine axiale Montage der Spulen in einem Blechpaket ermöglicht. Da Blechpakete herstellungsbedingt in axialer Richtung immer hinterschneidungsfrei sind, ist hierdurch die Montierbarkeit der Spule gewährleistet. Es kann dabei grundsätzlich unterschieden werden zwischen Spulen für Einzelzahnwicklungen und Spulen für verteilte Wicklungen.

Die prinzipielle geometrische Gestaltung einer für eine axiale Montage geeigneten Einzelzahnspule ist in 1 dargestellt. Im Bereich des Wickelkopfes 122, der hier auch als Wickelkopfabschnitt bezeichnet werden kann, werden die Leiter der Spule senkrecht zu einer Wickelebene radial nach innen abgewinkelt. Die Wickelebene kann insoweit eine Ebene orthogonal zum Magnetfeld im Bereich des betreffenden Zahns sein und darunter sind auch dazu im Bereich des Zahnes planparallele Ebenen zu verstehen.

Der Bereich in axialer Verlängerung des Zahnes inklusive eines Zahnkopfes wird dadurch freigestellt, damit die Spule axial über den Zahn geschoben werden kann. Das Herstellungsverfahren kann hierfür eine flexible Gestaltung der Querschnittsgeometrie ermöglichen, wie z.B. das in EP 2387135 A3 beschriebene, gießtechnische Herstellungsverfahren.

Der durch den verlagerten Wickelkopfabschnitt verwendete Bauraum befindet sich hinter dem Rotor und kann in elektrischen Maschinen im Stand der Technik in der Regel nicht sinnvoll genutzt werden. Durch das einseitige Hochklappen bzw. Abwinkeln des Wickelkopfes bzw. Wickelkopfabschnittes bleibt die Montage des Rotors gewährleistet.

Die effektive Länge des Leiters kann durch das vorgestellte Konzept erhöht sein. Die einhergehende Erhöhung des Wicklungswiderstandes kann jedoch durch eine lokale Erhöhung des Querschnitts im Wickelkopfabschnitt vermieden bzw. verhindert werden.

Analog zu der Spulengeometrie für Einzelzahnwicklungen werden bei axial montierbaren Spulen für verteilte Wicklungen die Leiter aus der Wicklungsebene herausgeklappt bzw. abgewinkelt. Dies erfolgt an beiden Seiten des Wickelkopfes, insbesondere des Wickelkopfabschnittes, wobei eine Seite nach innen und die andere Seite nach außen geklappt. Innen und außen sind hierbei Richtungsangaben, die sich auf die axiale Richtung der elektrischen Maschine beziehen. 2 stellt das Grundprinzip am Beispiel einer Ganzloch-Einschichtwicklung (q = 1) dar. Als Lochzahl q bezeichnet man die Anzahl der Nuten Q pro Polzahl 2p und Strang m: q = Q2p·m

Demnach weist eine Ganzloch-Einschichtwicklung mit der Lochzahl q = 1 genau einen Wicklungsabschnitt pro Nut auf.

Der nach innen hochgeklappte Wickelkopf muss erfindungsgemäß so gestaltet werden, dass die Montage trotz der sich zum Luftspalt hin verjüngenden Nut möglich ist. Analog zum Vorgehen bei der Einzelzahnwicklung kann der Leiterquerschnitt bzw. Wicklungsquerschnitt auch hier lokal verändert werden, um eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes zu vermeiden.

Die Montage der Spulen erfolgt in zwei Gruppen. Die in 2 hinten liegenden Spulen 101, 102 und 103 werden zuerst montiert, indem sie axial, nämlich in Richtung R, in das Blechpaket 180 hineingeschoben werden. Für die dargestellte Wicklungsart haben alle Spulen 101, 102, 103, 104, 105 und 106 die gleiche geometrische Gestaltung.

Für Wicklungen mit Lochzahlen größer 1 wird eine geometrische Gestaltung gemäß 3 vorgeschlagen. Für die Realisierung der Wicklung sind zwei Varianten der Spulengeometrie, die hier mit a bzw. b gekennzeichnet sind, erforderlich, die nacheinander axial, also in Richtung R in die Nuten des Blechpakets (180) eingelegt bzw. eingeschoben werden. Analog hierzu können auch Wicklungen mit größeren Lochzahlen realisiert werden, wobei die Anzahl der notwendigen Spulenvarianten mit steigender Lochzahl größer wird.

Der vorgeschlagene Lösungsweg ermöglicht auch erstmalig die Adaption der gießtechnischen Herstellung von Spulen auf verteilte Wicklungen. Hierdurch ergibt sich ein im Vergleich zum Stand der Technik erheblich gesteigertes Marktpotenzial, da die Mehrzahl aller elektrischen Antriebe für Elektrofahrzeuge und Industrieanwendungen mit verteilten Wicklungen ausgeführt wird. Die vorgestellten Konzepte mit Lochzahlen größer als 1 eignen sich dabei auch für die in Bezug auf das Wicklungsdesign sehr anspruchsvolle Asynchronmaschine.

Das vorgestellte Montagekonzept ermöglicht es dabei unmittelbar, alle bekannten Vorteile von Spulen mit variabler Querschnittsgeometrie, wie sie z.B. in DE 10 2012 212 637 A1 oder EP 2387135 A3 beschrieben ist, in Maschinen mit verteilten Wicklungen zu überführen und hierdurch erhebliche funktionale Vorteile zu erzielen, wie bspw. eine hohe Leistungsdichte, einen hohen Wirkungsgrad, eine gute Kühlung, um nur einige Vorteile zu nennen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • EP 2387135 A3 [0004, 0083, 0092]
  • DE 102012212637 A1 [0092]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Müller, G., Vogt, K., Ponick, B.: Berechnung elektrischer Maschinen, Wiley-Verlag, Darmstadt, 2008 [0004]