DE102013205240A1

DE102013205240A1 - Rotor oder Stator für eine elektrische Maschine und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102013205240A1
Application number: DE201310205240
Authority: DE
Inventors: Jan van Goethem; Ingo Drewe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator oder Rotor für eine elektrische Maschine, der sich konzentrisch um eine Achse in eine axiale Richtung erstreckt, und der zumindest zwei Zähne umfasst, die sich in die axiale Richtung und eine radiale Richtung erstrecken und in der radialen Richtung eine Zahnhöhe aufweisen, wobei die Zähne mit einer elektrisch leitenden Wicklung umwickelt sind, die eine Breite und eine Dicke aufweist, wobei die Breite der Wicklung der Zahnhöhe entspricht, und sich die Dicke der Wicklung gegen die radiale Richtung zur Achse hin verjüngt. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen bewickelter Zähne, die gleichzeitig mit Wicklungssträngen aus demselben elektrisch leitenden Bandmaterial bewickelt werden, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines segmentierten Stators oder Rotors für eine elektrische Maschine, dessen Zahnwicklungen vor dem aneinander Fügen der Zähne elektrisch miteinander verbunden werden.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor oder Stator für eine elektrische Maschine, der zumindest zwei Zähne umfasst, die mit einer elektrisch leitenden Wicklung umwickelt sind und eine Zahnhöhe aufweisen, wobei die Breite der Wicklung der Zahnhöhe entspricht. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen bewickelter Zähne, die gleichzeitig mit Wicklungssträngen aus demselben elektrisch leitenden Bandmaterial bewickelt werden, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines segmentierten Rotors oder Stators für eine elektrische Maschine, dessen Einzelzahnwicklungen vor dem aneinander Fügen der Zähne elektrisch miteinander verbunden werden.
Beim Bewickeln von Zähnen für Statoren und Rotoren elektrischer Maschinen muss zwischen benachbarten Zahnköpfen ein Korridor freigehalten werden, damit der Wickeldraht und/oder das Wickelwerkzeug zwischen den Zahnköpfen hindurchgeführt werden kann. Zudem verbleibt zwischen den Wicklungsdrähten, insbesondere bei rechteckigen oder runden Wicklungsdrähten, ungenutzter Freiraum. Dadurch ist der Kupferfüllfaktor, das ist das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der eingelegten Kupferdrähte zwischen zwei benachbarten Zähnen zu der zwischen den benachbarten Zähnen zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche des Wicklungsfensters, sehr gering. Üblicherweise liegt der Kupferfüllfaktor von Statoren und Rotoren, bei denen die Zähne mittels Nadelwickeln bewickelt sind, in einem Bereich von etwa 20–35%.
Häufig reicht die Leistungsdichte von Elektromotoren mit solchen Wicklungen jedoch nicht aus. Daher werden Statoren und Rotoren auch mit Zähnen ohne Zahnköpfe oder mit Zähnen mit sehr kleinen Zahnköpfen ausgestattet, so dass zwar der Kupferfüllfaktor größer ist und die Leistungsdichte dieser Elektromotoren ausreicht. Jedoch weisen solche elektrischen Maschinen ein hohes Rastmoment und eine hohe Momentenwelligkeit auf.
Daher ist es weiterhin bekannt, die Zähne getrennt vom Joch zu fertigen und nach dem Bewickeln in dieses einzufügen. Dabei erschwert die jeweils auf einen Zahn gefügte Wicklung jedoch häufig das Fügen des Zahns in das Joch.
Weiterhin ist es bekannt, den Stator oder Rotor zu segmentieren. Dabei ist das Joch zwischen den Zähnen jeweils aufgetrennt und die Segmente werden nach dem Bewickeln der Zähne aneinander gefügt.
Bei solchen segmentierten Statoren oder Rotoren besteht aber mit steigender Zahnzahl eine große Schwierigkeit darin, die erlaubten Durchmessertoleranzen einzuhalten. Das ist umso kritischer, da bereits geringe Abweichungen von der Luftspaltbreite zwischen Rotor und Stator erheblichen Einfluss auf die Parameter der elektrischen Maschine haben können. Dabei kann bereits eine geringe geometrische Abweichung den magnetischen Widerstand an den Anlageflächen zwischen den Segmenten verändern. Auch führt eine Asymmetrie des Stators zu Unwuchten, Rastmomenten und Geräuschen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Stator oder Rotor für eine elektrische Maschine zu schaffen, der einen sehr hohen Kupferfüllfaktor aufweist, so dass seine Leistungsdichte hoch ist, sowie ein Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Herstellung des Stators oder Rotors, bei dem die für ihn erlaubten Durchmessertoleranzen eingehalten und die Rastmomente gering sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Stator oder Rotor für eine elektrische Maschine, der sich in eine axiale Richtung konzentrisch um eine Achse erstreckt, und der zumindest zwei Zähne umfasst, die sich in die axiale Richtung und eine radiale Richtung erstrecken und in der radialen Richtung eine Zahnhöhe aufweisen, wobei die Zähne jeweils mit einem elektrisch leitenden Wicklungsstrang umwickelt sind, der eine Breite und eine Dicke aufweist, wobei die Breite des Wicklungsstranges der Zahnhöhe entspricht, und sich die Dicke des Wicklungsstranges gegen die radiale Richtung verjüngt.
Die Zähne weisen ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei am zweiten Ende ein Polkopf vorgesehen ist. Als Zahnhöhe wird im Folgenden ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende bezeichnet.
Der jeweils um einen Zahn gewickelte Wicklungsstrang bildet eine Wicklung, die zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen ist. Die Wicklung ist bevorzugt entweder einlagig oder ebenfalls bevorzugt mehrlagig vorgesehen. Da die Breite des Wicklungsstranges der Zahnhöhe entspricht, ist in der radialen Richtung nur ein einziger Wicklungsstrang angeordnet. Über die Breite des Wicklungsstranges ist der für die Wicklung am Zahn zur Verfügung stehende Wicklungsraum daher optimal genutzt.
Die Zähne erstrecken sich in radialer und axialer Richtung. Zwischen zwei benachbarten Zähnen steht daher jeweils ein Wicklungsraum für die Wicklungen der beiden Zähne zur Verfügung, der sich gegen die radiale Richtung und zur Achse hin verjüngt. Da sich die Dicke des Wicklungsstranges gegen die radiale Richtung verjüngt, ist der für die Wicklungen zur Verfügung stehende Wicklungsraum auch in einer tangentialen Richtung quer zur axialen und radialen Richtung optimal ausnutzbar.
Dafür ist der Wicklungsstrang bevorzugt eckig ausgebildet. Dabei umfasst die Bezeichnung eckig auch einen Wicklungsstrang mit abgerundeten oder abgeflachten Ecken. Besonders bevorzugt ist er viereckig ausgebildet. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Wicklungsstrang in radialer Richtung beidseitig eben. In dieser Ausführungsform kann der Wicklungsstrang bei einer mehrlagigen Wicklung unmittelbar aneinander gelegt werden, so dass die Wicklungslagen aneinander anliegen. Dadurch ist der Wickelraum auch in tangentialer Richtung optimal genutzt. Dadurch baut der Wickelkopf in axialer Richtung kürzer auf.
Insgesamt ist der Kupferfüllfaktor eines solchen Stators oder Rotors deutlich größer als der Kupferfüllfaktor eines Stators oder Rotors mit einem herkömmlichen, beispielsweise runden, Wicklungsstrang. Bei gleichem Bauraum ist daher ein Stator oder Rotor höherer Leistungsdichte, und somit eine elektrische Maschine höherer Leistungsdichte, herstellbar. Oder der Stator oder Rotor – und somit die elektrische Maschine – ist bei gleicher Leistungsdichte kompakter baubar. Eine kompaktere Maschine gleicher Leistungsdichte ist zudem kostengünstiger baubar.
Besonders bevorzugt wird die Dicke des Wicklungsstranges sowie die Verjüngung der Dicke des Wicklungsstranges entsprechend der Anzahl der Wicklungslagen, der Zahnhöhe, der Anzahl der Zähne sowie einem Radius des Zahns an seinem ersten Ende und einem Radius des Zahns an seinem zweiten Ende optimiert.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Wicklung im Querschnitt trapezförmig vorgesehen, da diese Form eine optimale Ausnutzung des Wickelraums ermöglicht.
Dabei ist unter einer der Zahnhöhe entsprechenden Breite des Wicklungsstranges eine Breite zu verstehen, bei der in derselben Wicklungslage immer genau ein Wicklungsstrang in radialer Richtung angeordnet ist. Die Breite des Wicklungsstranges ist dabei bevorzugt zumindest größer als die halbe Zahnhöhe, vorzugsweise größer als 85%, besonders bevorzugt größer als 92% der Zahnhöhe. Vorzugsweise ist die Breite des Wicklungsstranges so groß wie möglich. Bevorzugt ist sie nur um eine Isolierung zwischen dem Wicklungsstrang und dem Zahn kleiner als die Zahnhöhe. Gegebenenfalls sind zudem Toleranzen berücksichtigt, die ein leichtes Bewickeln des Zahns ermöglichen, und um die die Breite des Wicklungsstranges zudem kleiner als die Zahnhöhe ist.
Damit die Breite des Wicklungsstranges möglichst gleich der Zahnhöhe ist, ist es bevorzugt, dass der Stator oder Rotor segmentiert ist. Dadurch können zunächst die Zähne des Stators oder Rotors bewickelt werden, ohne Rücksicht auf die Ausmaße eines Wickelwerkzeugs nehmen zu müssen. Ein Nutöffnungswinkel zwischen den Zahnköpfen ist dadurch sehr klein wählbar. Dadurch wird die Momentenwelligkeit der elektrischen Maschine sehr stark verringert. Zudem ist es dadurch möglich, die Wicklungsstränge beim Bewickeln eines Zahns etwa quer zur Erstreckungsrichtung des Zahns anzuordnen. Dadurch sind die Wicklungslagen sehr genau aufeinander schichtbar.
Es ist bevorzugt, dass der Wicklungsstrang aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise einem Bandmaterial, beispielsweise einer Graphite-Nano-Tube, einer metallischen Folie oder einem metallischen Blech, hergestellt ist. Dabei ist es bevorzugt, ein elektrisch gut leitendes Blech oder eine elektrisch gut leitende Folie zu verwenden. Vorzugsweise weist die Folie oder das Blech einen hohen Kupferanteil auf. Die Folie oder das Blech sind bevorzugt aus einem Bandmaterial gebildet. Besonders bevorzugt werden die Wicklungsstränge gleichzeitig mit dem Bewickeln aus dem Bandmaterial geschnitten.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wicklung genau eine Wicklungslage. Dabei ist der Querschnitt der Wicklungslage sehr genau an die Ausmaße des Wicklungsraums anpassbar, so dass der Wicklungsraum optimal ausnutzbar ist. Es ist aber ebenfalls eine Ausführungsform bevorzugt, die mehrere Wicklungslagen umfasst.
Die Nutzung eines trapezförmigen Wicklungsstranges ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise eines Stators oder Rotors mit sehr hohem Kupferfüllfaktor und einem sehr guten Wärmeübergangswiderstand.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Stator oder Rotor. Dabei ist die elektrische Maschine sowohl als Motor oder als Generator betreibbar. Bevorzugt ist die elektrische Maschine eine elektrisch kommutierte Maschine, beispielsweise eine Gleichstrommaschine oder eine Synchronmaschine. Es ist aber ebenfalls bevorzugt, dass der Stator oder Rotor für eine Asynchronmaschine verwendet wird. Weiterhin bevorzugt ist die elektrische Maschine eine Reluktanzmaschine.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Elektrofahrrad, einem E-Scooter oder einem Elektroroller mit einer solchen elektrischen Maschine.
Bei solchen elektrisch angetriebenen Zweirädern ist der Bauraum für den Antrieb häufig sehr begrenzt. Beispielsweise ist er bei einem E-Scooter durch den Felgendurchmesser und/oder die Felgenbreite bestimmt. In der Ausführungsform als elektrisch kommutierter Motor, insbesondere als Synchronmotor, kann die Antriebsleistung für einen E-Scooter bei gleicher Baugröße verdoppelt werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verstellantrieb für ein Kraftfahrzeug, einem Lenkantrieb, einem Hybridantrieb, einem elektrischen Fahrantrieb oder einem Kühlgebläse für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen bewickelter Zähne für einen segmentierten, insbesondere erfindungsgemäßen Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine, wobei die Zähne jeweils mit einer Wicklung bewickelt werden, wobei die Wicklungen aus demselben elektrisch leitenden Bandmaterial hergestellt werden, indem das Bandmaterial in eine Abwicklungsrichtung abgewickelt wird, wobei es beim Abwickeln in streifenförmige Wicklungsstränge geschnitten wird, und wobei die Zähne gleichzeitig jeweils mit einem der Wicklungsstränge bewickelt werden.
Bei diesem Verfahren werden die Wicklungsstränge erst beim Bewickeln der Zähne hergestellt. Es kann daher kostengünstiges Bandmaterial verwendet werden und die Lagerhaltung ist im Vergleich zur Lagerhaltung einzelner Wicklungsstränge weniger aufwendig und daher kostengünstiger.
Zudem werden mehrere Zähne gleichzeitig bewickelt, was eine schnelle Montage ermöglicht.
Vorzugsweise werden die Wicklungsstränge vor dem Bewickeln der Zähne verformt. Dadurch ist eine bevorzugte Querschnittsform der Wicklungsstränge während des Bewickelns herstellbar. Besonders bevorzugt werden die Wicklungsstränge beim Bewickeln so verformt, dass sie im Querschnitt etwa trapezförmig sind.
Bevorzugt ist die Breite der Wicklungsstränge für die Zähne jeweils gleich. Besonders bevorzugt entspricht die Breite der Wicklungsstränge jeweils einer Zahnhöhe der Zähne. Ganz besonders bevorzugt weist das Bandmaterial eine Breite auf, die einem Vielfachen der Breite der Wicklungsstränge entspricht. Dadurch entsteht kein Verschnitt und das Bandmaterial wird optimal ausgenutzt.
Zudem ist es bevorzugt, dass die Wicklungsstränge nach dem Verformen und vor dem Bewickeln isoliert werden. Dabei ist es bevorzugt, dass als Isolationsmaterial ein aushärtbares Medium verwendet wird, beispielsweise ein schnellhärtender Lack oder ein schnellhärtendes Harz. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das aushärtbare Medium einseitig auf die Wicklungsstränge aufgetragen, oder ebenfalls bevorzugt wird es an einer Oberseite sowie an den an die Oberseite angrenzenden Seiten aufgetragen. Dadurch wird im Vergleich zu einem vollumfänglichen Auftragen des aushärtbaren Mediums weniger aushärtbares Medium benötigt. Es ist aber auch eine Isolierung bevorzugt, die die Wicklungsstränge vollumfänglich umgibt. Zudem ist anstelle eines aushärtbaren Mediums auch eine andere Isolierung bevorzugt, beispielsweise aus einem Kunststoff oder Papier, insbesondere das Einfügen eines Papierstreifens zwischen die Wicklungslagen.
Weiterhin bevorzugt wird vor dem Bewickeln ein erstes Ende jedes Wicklungsstranges jeweils mit einem ersten Verbindungsdraht, und nach dem Bewickeln ein zweites Ende jedes Wicklungsstranges jeweils mit einem zweiten Verbindungsdraht elektrisch leitend verbunden. Die beiden Verbindungsdrähte werden zum elektrischen Verbinden der Wicklungen untereinander genutzt.
Weiterhin bevorzugt sind die Zähne, die mit benachbarten Wickelsträngen bewickelt werden, beim Bewickeln seiten- und/oder höhenversetzt zueinander angeordnet. Dadurch sind viele Zähne auf kleinem Bauraum gleichzeitig bewickelbar.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines segmentierten, insbesondere erfindungsgemäßen Stators oder Rotors für eine elektrische Maschine, wobei ein erster Verbindungsdraht jeweils an einem ersten Ende benachbarter Wicklungsstränge elektrisch kontaktierend befestigt wird, wobei die Wicklungsstränge danach gleichzeitig um einen Wicklungsträger oder jeweils um einen Zahn zu einer Wicklung gewickelt werden, wobei ein zweiter Verbindungsdraht jeweils an einem zweiten Ende der Wicklungsstränge elektrisch kontaktierend befestigt wird, und wobei anschließend zwischen benachbarten Wicklungssträngen abwechselnd entweder der erste Verbindungsdraht oder der zweite Verbindungsdraht aufgetrennt oder abgetrennt wird, so dass die Wicklungsstränge in einer Reihenschaltung hintereinander geschaltet sind. Bevorzugt werden die aufgetrennten Verbindungsdrähte zwischen den Wicklungssträngen entfernt.
Die Wicklungsstränge bilden jeweils die Wicklung eines Zahns. In der Reihenschaltung miteinander elektrisch verbunden bilden sie eine Gesamtwicklung einer Maschinenphase. Mit diesem Verfahren ist die Gesamtwicklung der Maschinenphase daher in einem einzigen Arbeitsschritt herstellbar. Es kann auf ein Stanzgitter verzichtet werden und Schweißschritte, bei denen einzelne Verbindungsdrähte nachträglich an die Wicklungen angeschweißt werden, um diese elektrisch miteinander zu verbinden, entfallen. Mit dem Verfahren ist die Gesamtwicklung daher sehr kostengünstig herstellbar.
Dabei ist es bevorzugt, dass die um einen Wicklungsträger gewickelten Wicklungen vor oder nach dem Auftrennen der Verbindungsdrähte vom Wicklungsträger abgenommen und dann jeweils um einen Zahn angeordnet werden. Der Wicklungsträger ist daher erst unmittelbar vor dem Aufziehen der Wicklungen auf ihren Zahn entfernbar. Dadurch ist die Gefahr, dass die Gesamtwicklung während der Montage, insbesondere bei einem Transport, beschädigt wird, gering.
Es ist aber ebenfalls bevorzugt, dass die Wicklungsstränge unmittelbar auf Zähne und nicht vorübergehend auf einen Wicklungsträger gewickelt werden.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass die Zähne mit dem vorgenannten Verfahren zum Herstellen bewickelter Zähne für einen segmentierten Stator oder Rotor hergestellt werden, so dass die Wicklungen aus demselben elektrisch leitenden Bandmaterial kostengünstig hergestellt, und gleichzeitig zudem mehrere Zähne bewickelt werden.
Ebenfalls bevorzugt werden benachbarte Zähne mehrerer Reihenschaltungen gleicher Zahnzahl abwechselnd aufeinander folgend zu einem Stator oder Rotor aneinander gefügt. Dadurch wird eine elektrische Maschine mit mehreren Maschinenphasen hergestellt.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Segmente des Stators oder Rotors zum aneinander Fügen in äquidistanten Abständen konzentrisch um eine Achse angeordnet werden. Dann werden sie durch gleichzeitiges Verschieben in radialer Richtung zur Achse hin aneinander gefügt. Dabei wird bevorzugt ein Werkzeug verwendet, das das gleichzeitige Verschieben in radialer Richtung zur Achse hin begrenzt. Dadurch sind ein Innendurchmesser sowie ein Außendurchmesser des Stators oder Rotors vorgegeben und der Stator oder Rotor sehr konzentrisch herstellbar. Die Segmente werden bei diesem Stator oder Rotor bevorzugt nach dem aneinander fügen mechanisch miteinander verbunden, beispielsweise durch aneinander Schweißen.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die die Aufgabe ebenfalls löst, werden die eine oder mehreren Wicklungslagen derselben und/oder benachbarter Wicklungen vor oder bei dem gleichzeitigen Verschieben der Segmente in die radiale Richtung zur Achse hin flächig aneinander gedrückt. Bei mehreren Wicklungslagen liegen diese dadurch flächig aneinander an. Zudem liegt die am Zahn anliegende Wicklungslage ebenfalls flächig an diesem oder an einer diesen umgebenden Isolierung an. Die Wicklung ist dadurch thermisch sehr gut aneinander, an die Isolierung und/oder an den Zahn angebunden im Vergleich zu Linienkontakten bei beispielsweise runden Leiterquerschnitten.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Wicklungsstränge sich in radialer Richtung zur Achse hin verjüngen, so dass das Verschieben nicht durch die Wicklungsstränge behindert wird. Die Wicklungsstränge werden bei dem Verschieben in tangentialer Richtung aneinander gedrückt.
Bei dem so hergestellten Stator oder Rotor liegen die Wicklungsstränge eines Zahns, und vorzugsweise auch die Wicklungsstränge der einander benachbarten Zähne, in tangentialer Richtung aneinander an. Dadurch ist der Wicklungsraum zwischen den Zähnen optimal genutzt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
1 zeigt in (a) einen Rotor und in (b) einen Stator gemäß dem Stand der Technik, sowie in (c) einen Ausschnitt eines Schnittbildes durch einen herkömmlichen Rotor mit Zähnen,
2 zeigt in (a) ein Statorsegment, in (b) schematisch das aneinander Fügen mehrerer Statorsegmente zu einem Stator, in (c) den Stator und in (d) ein Statorsegment des fertigen Stators,
3 zeigt in (a) einen Ausschnitt aus einem Stator und in (b)–(d) jeweils einen Wicklungsstrang im Querschnitt,
4 zeigt schematisch die Herstellung bewickelter Zähne,
5 zeigt in (a)–(d) die Herstellung einer Reihenschaltung mehrerer Wicklungen einer Maschinenphase und in (e) eine elektrische Verbindung eines Wicklungsstranges mit einem Verbindungsdraht, und
6 zeigt schematisch in (a) eine Reihenschaltung mehrerer Wicklungen einer Maschinenphase eines Stators, wobei die Wicklungen noch nicht um Zähne gefügt sind, in (b) die Reihenschaltung aus (a) mit Zähnen, und in (c) zwei Reihenschaltungen eines zweiphasigen Stators.
1(a) zeigt einen als Lamellenpaket aus einer Vielzahl von Lamellen 13 hergestellten Rotor 1. Der Rotor 1 ist konzentrisch um eine Welle 3 angeordnet, die sich in Richtung einer Achse 30 erstreckt. Er weist mehrere gleichmäßig in einer tangentialen Richtung 33 um die Achse 30 angeordnete Zähne 4 auf, die sich jeweils in eine radiale Richtung 32 zur Achse 30 und die axiale Richtung 31 erstrecken.
Die Zähne 4 weisen an gegenüberliegenden Enden 11, 12 des Rotors 1 Stirnseiten 45 auf, sowie zwei sich gegenüberliegende, zwischen den Enden 11, 12 des Rotors 1 erstreckende Längsseiten 46 (s. 1(b)). Zwischen benachbarten Zähnen 4 ist ein Wickelraum 54 vorgesehen, der sich in Richtung zur Achse 30 hin verjüngt. Für die sich entlang einer Längsseite 46 eines der benachbarten Zähne 4 erstreckende Wicklung 5 steht ein halber Wickelraum 54 zur Verfügung.
An ersten Enden 47 der Zähne 4 sind Zahnköpfe 40 angeordnet, die sich in die tangentiale Richtung 33 und axiale Richtung 31 erstrecken. Der Wickelraum 54 ist von den gegenüberliegenden Stirnseiten 15 des Rotors 1 und durch Spalte zwischen den Zahnköpfen 4 zugänglich.
Der Stator 2 der 1(b) ist ebenfalls als Lamellenpaket gefertigt und erstreckt sich konzentrisch um eine Achse 3. Auch er weist eine Vielzahl gleichmäßig in einer tangentialen Richtung 33 um die Achse 30 angeordnete Zähne 4 auf, die sich jeweils in eine radiale Richtung 32 zur Achse 30 und die axiale Richtung 31 erstrecken. Es sind aber keine Zahnköpfe an den ersten, achsabgewandten Enden 47 der Zähne 4 vorgesehen.
Die Zähne 4 weisen an den gegenüberliegenden Enden 21, 22 des Stators 2 ebenfalls Stirnseiten 45 auf, sowie die sich gegenüberliegenden, zwischen den Enden 11, 12 des Stators 2 erstreckenden Längsseiten 46.
Auch bei dem Stator 2 ist zwischen den benachbarten Zähnen 4 jeweils der sich zur Achse 3 hin verjüngende Wickelraum 54 vorgesehen. Dieser ist hier aber aufgrund der fehlenden Zahnköpfe in radialer Richtung 32, 31 frei zugänglich ist.
1(c) zeigt einen Ausschnitt eines Schnittbildes durch einen Rotor 1 mit Zähnen 4. Sichtbar ist genau ein Zahn 4 des Rotors 1. Der Zahn 4 erstreckt sich von seinem ersten Ende 47 zu einem zweiten Ende 48. Ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Ende 47, 48 des Zahns 4 wird im Folgenden als Zahnhöhe 41 bezeichnet. An seinem ersten Ende 47 ist ein Polkopf 40 angeordnet.
Der Zahn 4 ist mit einer herkömmlichen Wicklung 5 bewickelt. Die Wicklung 5 ist zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes vorgesehen. Sie ist aus einem Wicklungsstrang 501 gebildet, der um den Zahn 4 gewickelt ist, so dass sich der Wicklungsstrang 501 in axialer und tangentialer Richtung 31, 33 entlang den Längsseiten 46 und den Stirnseiten 45 des Zahns 4 erstreckt.
Der Wicklungsstrang 501, aus dem die Wicklung 5 gewickelt ist, weist eine im Querschnitt runde Form auf. Zudem ist der Durchmesser des Wicklungsstranges 501 erheblich kleiner als die Zahnhöhe. Dadurch weist die Wicklung 5 mehrere Wicklungslagen 502 auf. Zwischen den Wicklungslagen 502 verbleiben Freiräume 9, so dass der Kupferfüllfaktor einer solchen Wicklung 5 klein ist.
In 2(a) ist ein Statorsegment 20 eines segmentierten Stators 2 (s. 2(c)) schematisch gezeigt. Das Statorsegment 20 umfasst ein Jochsegment 23 und einen am Jochsegment 23 angeordneten Zahn 4, an dessen erstem Ende 47 ein Polkopf 40 angeordnet ist.
Die 2(a) zeigt eine Stirnseite des Statorsegmentes 20. Dabei sind die an der Stirnseite 45 des Zahns 4 angeordneten Wicklungslagen 502 nicht dargestellt, so dass die an den Längsseiten 46 angeordneten Wicklungslagen 502 sichtbar sind, sowie eine Isolierung 42, die sich vollumfänglich um dem Zahn 4 erstreckt und die Wicklung 5 vom Grundkörper des Statorsegmentes 20 elektrisch isoliert.
Die Wicklung 5 ist aus einem Wicklungsstrang 501 hergestellt, dessen Breite 51 der Zahnhöhe 41 entspricht. In radialer Richtung 32 ist daher in einer Wicklungslage 502 immer genau ein Wicklungsstrang 501 angeordnet.
Die Darstellung zeigt den Zahn 4 vor dem Fügen der Statorsegmente 20 zu einem Stator 2. In diesem Zustand sind zwischen einander benachbarten Wicklungslagen 502 noch Freiräume 9 vorhanden, und die Wicklungslagen 502 liegen nicht aneinander an. Daher erstreckt sich die Wicklung 5 beidseitig des Pohlzahns 4 in tangentialer Richtung 33 jeweils über den für sie zur Verfügung stehenden halben Wickelraum 54 hinaus.
Sichtbar ist in dieser 2(a) ebenfalls, dass der Wicklungsstrang 501 eine Dicke 52 aufweist, die sich in Richtung zur Achse 3 hin verjüngt. Und zwar ist der Wicklungsstrang 501 der hier gezeigten Wicklung 5 im Querschnitt trapezförmig ausgebildet. An der Innenseite 201 des Stators 2 muss für die Wicklung 5 daher weniger Wickelraum 54 zur Verfügung stehen, als an der Außenseite 202 des Stators 2.
2(b) zeigt schematisch das Fügen der Statorsegmente 20 zu einem Stator 2. Dies erfolgt bevorzugt in einem dafür vorgesehenen Werkzeug (nicht gezeigt).
Die Statorsegmente 20 werden in äquidistanten Abständen konzentrisch um eine Achse 30 angeordnet. Dann werden sie gleichzeitig in eine Fügerichtung 90 zur Achse 30 hin verschoben. Beim Verschieben werden die Wicklungslagen 502 derselben und der benachbarten Wicklungen 5 in tangentialer Richtung 33 aneinander gedrückt. Dadurch wird bei den sich entlang den Längsseiten 46 des Zahns 4 erstreckenden Wicklungslagen 502 jeweils der zwischen benachbarten Wicklungslagen 502 vorhandene Freiraum 9 kontinuierlich verringert. Bei den sich entlang den Stirnseiten 45 des Zahns 4 erstreckenden Wicklungslagen 502 wird der zwischen benachbarten Wicklungslagen 502 vorhandene Freiraum 9 gleichzeitig vergrößert. Da aber lediglich die sich an den Längsseiten 46 des Zahns 4 erstreckenden Wicklungslagen 502 zur Nutzleistung des elektromagnetischen Feldes beitragen, ist eine Vergrößerung des Freiraums 9 zwischen den sich entlang den Stirnseiten 45 des Zahns 4 erstreckenden Wicklungslagen 502 diesbezüglich nicht relevant.
Die Dicke 52 des Wicklungsstranges 501 ist bevorzugt so vorgesehen, dass die Wicklungslagen 502 bei aneinander gefügten Statorsegmenten 20 flächig aneinander anliegen, so dass der Wicklungsraum 54 bei aneinander gefügten Statorsegmenten 20 optimal genutzt ist.
Es ist aber ebenfalls bevorzugt, dass die Wicklungslagen 502 derselben und benachbarter Wicklungen 5 vor dem Fügen der Statorsegmente 20 in einer tangentialen Richtung 33 des Stators 2 flächig aneinander gedrückt werden.
Damit die Statorsegmente 20 richtig zueinander positioniert sind, sind an den Jochsegmenten 23 der Statorsegmente 20 zueinander korrespondierende Positionierungsmittel 231 vorgesehen. Die Positionierungsmittel 231 sind hier als Steg und zum Steg korrespondierende Nut ausgebildet, und zwar so, dass sie das ineinander Schieben der Statorsegmente 20 nicht behindern. Zudem kann an der Innenseite 201 am Werkzeug eine Referenzfläche (nicht gezeigt) angeordnet sein, die das Verschieben in Fügerichtung 90 nicht nur begrenzt, sondern den Innendurchmesser des fertigen Stators 2 bestimmt.
Die Statorsegmente 20 werden nach dem ineinander Schieben miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißen.
Einen so gefertigten Stator 2 zeigt die 2(c). In der Ausschnittsvergrößerung der 2(d), die ein einzelnes Statorsegment 23 des fertigen Stators 2 zeigt, ist erkennbar, dass die Wicklungslagen 502 der Wicklung 5 flächig aneinander anliegen. Dadurch nehmen die sich entlang einer der Längsseiten 46 des Zahns 4 erstreckenden Wicklungslagen 502 gerade den halben zwischen benachbarten Zähnen 4 zur Verfügung stehenden Wickelraum 54 ein.
Mit dem Verfahren ist in analoger Weise auch ein Rotor 1 herstellbar. In 2(d) ist zudem erkennbar, dass die Breite 51 des Wicklungsstranges 501 kleiner als die Zahnhöhe 41 des Zahnes 4 ist. Die Differenz zwischen der Zahnhöhe 41 des Zahns 4 und der Breite 51 des Wicklungsstranges 5 ist, wie die 3(a) zeigt, vor allem durch die zwischen dem Zahn 4 und der Wicklung 5 vorgesehene Isolierung 42 bestimmt.
Die 3(a) zeigt einen Schnitt durch einen segmentierten Stator 2 eines Innenläufers. Der Stator 2 weist Zähne 4 auf, die von einer Isolierung 42 umgeben sind. Beispielhaft ist an einem der Zähne 4 ein einzelner Wicklungsstrang 501 gezeigt, der den für die Wicklung 5 zur Verfügung stehenden halben Wickelraum 54 an einer Längsseite 46 des Zahns 4 optimal ausnutzt.
Sichtbar ist, dass ein Innenradius r_i des Wicklungsstranges 501 an einer Innenseite 201 des Statorsegmentes 20 von einem Innenradius r_I der Isolierung 42 an der Innenseite 201 bestimmt ist. Analog ist ein Außenradius R_a des Wicklungsstranges 501 an einer Außenseite 202 des Statorsegmentes 20 von einem Außenradius R_A der Isolierung 42 an der Außenseite 202 bestimmt.
Weiterhin ist sichtbar, dass die Verjüngung der Dicke 52 des Wicklungsstranges 501 durch die Verjüngung des für den Wicklungsstrang 501 zur Verfügung stehenden halben Wickelraumes 54 bestimmt ist.
Der Wickelraum 54 weist einen offenen Nutwinkel α auf. Der trapezförmige Öffnungswinkel β des Wicklungsstranges ist β = α/2·N wobei N die Anzahl der Wicklungslagen 502 ist, und somit hier N = 1 gilt.
Die Höhe R_a – r_i des Wicklungsstranges ist die Differenz zwischen dem Außenradius R_a des Wicklungsstranges 501 an der Außenseite 202 des Statorsegmentes 20 und dem Innenradius r_i des Wicklungsstranges 501 an der Innenseite 201 des Statorsegmentes 20.
Eine Basis des Wicklungsstranges 501, das ist die geometrische Größe des Trapezes, berechnet sich zu R_a·tan(α/2).
Die 3(b)–(d) zeigen jeweils einen Wicklungsstrang 501 im Querschnitt. Die Wicklungsstränge 501 sind alle trapezförmig ausgebildet. Bei dem Wicklungsstrang der 3(c) sind die Ecken 5013 im Gegensatz zu denen der 3(b) abgerundet ausgebildet. Der Wicklungsstrang 501 der 3(d) weist im Gegensatz zu denen der 3(b) und (c) bogenförmige Schmalseiten 5014 auf. Es sind aber auch Wicklungsstränge 501 mit abgeflachten Ecken (nicht gezeigt) bevorzugt. Zudem sind die hier dargestellten Wicklungsstränge 501 alle flächensymmetrisch ausgebildet. In Abhängigkeit von dem Wickelraum 54 des Stators 2 oder Rotors 1 ist aber auch ein im Querschnitt unsymmetrischer Wicklungsstrang 501 bevorzugt.
4 zeigt ein Verfahren zum gleichzeitigen Bewickeln mehrerer Zähne 4 schematisch.
Die Zähne 4 sind entlang einer Achse 66 angeordnet. Dabei ist hier nur jeder zweite Zahn 4 gezeigt. Räumlich zu der dargestellten Achse 66 versetzt ist eine weitere Achse (nicht gezeigt) oder sind mehrere weitere Achsen angeordnet, entlang der die übrigen Zähne 4 angeordnet sind.
Die Zähne 4 werden jeweils mit einem Wicklungsstrang 501 bewickelt. Jeder der Wicklungsstränge 501 wird dabei aus einem Bandmaterial 50 geschnitten, dessen Breite 500 einem Vielfachen der Breite 51 der Wicklungsstränge 501 entspricht.
Dafür wird jeder der Wicklungsstränge 501 in eine Abwicklungsrichtung 6 etwa quer zur Achse 66 am Zahn 4 festgelegt. Dann werden alle Zähne gleichzeitig in eine Wickelrichtung 60 gedreht.
Das Bandmaterial 50 wird dabei in Abwicklungsrichtung 6 abgewickelt. Dabei wird es in Streifen mit etwa der Breite 51 der Wicklungsstränge 501 geschnitten. Die Wicklungsstränge 501 werden nach dem Schneiden vorzugsweise noch verformt, so dass sie trapezförmig sind, wobei sich ihre Breite 51 geringfügig ändert. Die Änderung ist hier nicht dargestellt, wird aber im Verfahren berücksichtigt. Das Verformen erfolgt beispielsweise mit konischen Walzen.
Damit die Wicklungslagen 502 einer Wicklung 5 voneinander isoliert sind, werden die Wicklungsstränge 501 vor dem Bewickeln bevorzugt voneinander isoliert. Dafür wird beispielsweise ein Lack oder ein anderes aushärtbares Isolationsmaterial zumindest einseitig oder mehrseitig auf die Wicklungsstränge 501 aufgetragen. Oder ein Papier oder ähnlich wird beim Bewickeln zwischen die Wicklungslagen 502 gelegt.
Anstelle auf Zähne 4 ist es auch möglich, die Wicklungsstränge 501 vorübergehend auf einen Wicklungsträger 44 zu wickeln und die Wicklungen 5 später an Zähnen 4 anzuordnen. Dies zeigt die 5(a). Dabei sind die Wicklungsstränge 501 an ihrem ersten Ende 5011 mit einem elektrisch leitenden, ersten Verbindungsdraht 71 elektrisch leitend verbunden. Eine solche Verbindung zeigt die 5(e) beispielhaft.
Am Ende des Wickelvorgangs wird das zweite Ende 5012 der Wicklungsstränge 501 in analoger Weise elektrisch leitend mit einem elektrisch leitenden, zweiten Verbindungsdraht 72 verbunden. Dies zeigt die 5(b).
5(c) zeigt die aus den Wicklungssträngen 501 und den beiden Verbindungsdrähten 71, 72 so verbundenen Wicklungen 5 schematisch. Anschließend wird zwischen benachbarten Wicklungen 5 abwechselnd entweder der erste Verbindungsdraht 71 am ersten Ende der benachbarten Wicklungen 5 oder der zweite Verbindungsdraht 72 am zweiten Ende der benachbarten Wicklungen 5 aufgetrennt, und zwar bevorzugt entfernt. Dadurch entsteht eine Reihenschaltung 81 der Wicklungen 5. In dieser Reihenschaltung 81 bilden sie eine Gesamtwicklung einer Maschinenphase. Eine solche Gesamtwicklung einer Maschinenphase eines Stators 2 zeigt 6(a). In der Darstellung der 6(a) sind die Wicklungen 5 aber noch nicht auf Zähne 4 gefügt.
6(b) zeigt die auf Zähne 4 von Statorsegmenten 20 aufgeschobenen Wicklungen 5. Durch aneinander Fügen der Statorsegmente 20 wird der Stator 2 einer elektrischen Maschine mit einer Maschinenphase hergestellt.
Die 6(c) zeigt schematisch das abwechselnde Anordnen der Wicklungen 5 zweier Reihenschaltungen 81, 82. Auch hier sind die Wicklungen 5 ohne die Statorsegmente 20 gezeigt. Durch aneinander Fügen der hier nicht gezeigten Statorsegmente 20 wird ein Stator 2 einer elektrischen Maschine mit zwei Maschinenphasen hergestellt.
Nach diesem Schema sind auch elektrische Maschinen mit Statoren 2 oder Rotoren 1 mit mehr als zwei Maschinenphasen herstellbar.

Claims

Stator (2) oder Rotor (1) für eine elektrische Maschine, der sich in eine axiale Richtung (31) konzentrisch um eine Achse (30) erstreckt, und der zumindest zwei Zähne (4) umfasst, die sich in die axiale Richtung (31) und eine radiale Richtung (32) erstrecken und in der radialen Richtung (32) eine Zahnhöhe (41) aufweisen, wobei die Zähne (4) mit einem elektrisch leitenden Wicklungsstrang (501) umwickelt sind, der eine Breite (51) und eine Dicke (52) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (51) des Wicklungsstranges (501) der Zahnhöhe (41) entspricht, und sich die Dicke (52) des Wicklungsstranges (501) gegen die radiale Richtung (32) zur Achse (30) hin verjüngt.
Stator (2) oder Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er segmentiert ist.
Stator (2) oder Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) im Querschnitt trapezförmig ist.
Stator (2) oder Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) aus einem leitfähigen Material, insbesondere einer Graphite-Nano-Tube, einer metallischen Folie oder einem metallischen Blech, hergestellt ist.
Stator (2) oder Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung genau eine Wicklungslage (502) umfasst.
Elektrische Maschine mit einem Stator (2) oder Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Elektrofahrrad, E-Scooter oder Elektroroller mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 6.
Verfahren zum Herstellen bewickelter Zähne (4) für einen segmentierten Stator (2) oder Rotor (1) einer elektrischen Maschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 2–5, wobei die Zähne (4) jeweils mit einer Wicklung (5) bewickelt werden, deren Breite (51) einer Zahnhöhe (41) der Zähne (4) entspricht, wobei die Wicklungen (5) aus demselben elektrisch leitenden Bandmaterial (50) hergestellt werden, indem das Bandmaterial (50) in eine Abwicklungsrichtung (6) abgewickelt wird, wobei es beim Abwickeln in streifenförmige Wicklungsstränge (501) geschnitten wird, und wobei die Zähne (4) gleichzeitig jeweils mit einem der Wicklungsstränge (501) bewickelt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (501) vor dem Bewickeln der Zähne (4) verformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (501) nach dem Verformen und vor dem Bewickeln zumindest einseitig isoliert werden, insbesondere mit einem aushärtbaren Medium.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (4), die mit benachbarten Wickelsträngen (501) bewickelt werden, beim Bewickeln seiten- und/oder höhenversetzt zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines segmentierten Stators (2) oder Rotors (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 2–5, wobei ein erster Verbindungsdraht (71) jeweils an einem ersten Ende (5011) voneinander beabstandeter Wicklungsstränge (501) elektrisch kontaktierend befestigt wird, wobei die Wicklungsstränge (501) danach gleichzeitig um einen Wicklungsträger (44) oder jeweils um einen Zahn (4) zu einer Wicklung (5) gewickelt werden, wobei ein zweiter Verbindungsdraht (72) jeweils an einem zweiten Ende (5012) der Wicklungsstränge (501) elektrisch kontaktierend befestigt wird, und wobei anschließend zwischen benachbarten Wicklungen (5) abwechselnd entweder der erste Verbindungsdraht (71) oder der zweite Verbindungsdraht (72) aufgetrennt wird, so dass die Wicklungen (5) in einer Reihenschaltung (81) hintereinander geschaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die um einen Wicklungsträger (44) gewickelten Wicklungen (5) vor oder nach dem Auftrennen der Verbindungsdrähte (71, 72) vom Wicklungsträger (44) abgenommen und dann jeweils um einen Zahn (4) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–13, dadurch gekennzeichnet, dass – entweder die benachbarten Zähne (4) einer Reihenschaltung (81) aufeinander folgend zu einem Stator (2) oder Rotor (1) aneinander gefügt werden, oder dass – benachbarte Zähne (4) mehrerer Reihenschaltungen (81, 82) gleicher Zahnzahl abwechselnd aufeinander folgend zu einem Stator (2) oder Rotor (1) aneinander gefügt werden.
Verfahren zum Herstellen eines segmentierten Stators (2) oder Rotors (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 12–14, wobei der Stator (2) oder Rotor(1) Zähne (4) aufweist, die mit Wicklungen (5) bewickelt sind, die eine oder mehrere Wicklungslagen (502) umfassen, wobei die bewickelten Zähne (4) aneinander gefügt werden, indem sie kreisförmig in äquidistanten Abständen voneinander um eine Achse (30) angeordnet werden, so dass die Zähne (4) in eine radiale Richtung (32) zur Achse (30) weisen, und dann gleichzeitig in die radiale Richtung (32) zur Achse (30) verschoben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungslagen (502) derselben und benachbarter Wicklungen (5) dabei in einer tangentialen Richtung (33) des Stators (2) oder Rotors (1) flächig aneinander gedrückt werden.